輔助體操學習之體感互動設計創作研究

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(1)國立臺灣師範大學設計學系設計創作在職專班碩士論文. 輔助體操學習之體感互動設計創作研究 Study and Creation on Assisted Gymnastics Learning in Somatosensory Interaction Design. 指導教授：許和捷研究生：周昌民. 中華民國 107 年 8 月.

(2) 謝. 誌. 首先，我要感謝指導老師許和捷教授，在兩年的碩班期間，由許老師身上所學習到的，不僅是專業上的知識，也學習到許老師在教學以及行政各方面認真負責的態度。感謝「107 級論文 Fighting」小組的所有成員，尤其是小瞇。在論文討論以及畢業時程上，小瞇負責了所有與許老師助理和系辦的聯繫工作，使得所有應該辦理的事項都能如期順利進行，讓所有的事情都變簡單了。感謝所有參與問卷填寫的朋友以及同學，你們的回答以及建議讓這篇論文變得更好。感謝健行科技大學電子工程系的徐睿鴻、黃崇睿、黃皓宇三位同學，他們不僅協助我完成這個體操學習系統，並且在系統研發期間擔任模特錄製體操動作。另外要感謝健行科技大學王開運、蔡銘益、鍾宜玲三位老師，王老師在設計專業上給我許多協助；蔡老師在系統完成後協助我將其拍攝成示範影片；鍾老師慨然應允在示範影片中擔任體操學習的使用者，同事情誼銘感於心。最後，要感謝兩年碩班期間的所有任課老師以及同學，帶給我一段很難忘的人生經歷，謝謝大家。.

(3) 摘. 要. 本研究提出一套輔助體操學習之體感互動系統，針對高中新式健身操，以依據人體動作而自動產生的圖形符號設計誘發學童的學習興趣，進而達到幫助學童養成運動習慣、享受運動樂趣，提升體適能的目標。本研究採用微軟公司出品的 Kinect V2 作為影像捕捉工具，擷取體操示範動作資訊，將每一體操動作的三維資訊透過程式轉為相對應的圖形符號，顯現於螢幕之上，達到以趣味性引發學習動機、輔助學習的目的。此一系統能即時自動產生與真人動作相對應的圖形符號，可以提升學習的興趣與動力。本創作的研究目的有三點：一、運用新科技融入體操教學，調動學生學習的情緒，進而提高教學活動的效能，以取得較佳的學習成效。二、以遊戲的方式引起學生練習體操的動機，經由體操練習養成運動的習慣，進而增強學生體適能。三、以互動的方式即時將使用者的動作轉換成足以表現人體運動相對應的圖形符號。針對這三項研究目的，我們設計了兩份問卷來檢驗本創作研究是否達到目標。第一份問卷針對本創作的第三項研究目的而設計，針對我們所創作的第二版「輔助體操學習之體感互動設計」，72 位使用者中，對於問卷中所提供的所有靜態人體運動圖形符號表示「滿意」或是「非常滿意」的使用者均達到 80%以上；而針對問卷中所提供的所有動態人體運動圖形符號表示「滿意」或是「非常滿意」的使用者更是達到 90%以上。顯示本創作研究有達到「將使用者動作轉換成足以表現人體運動相對應的圖形符號」的研究目的。第二份問卷針對本創作的第一及第二項研究目的而設計，使用者試玩後，針對各個問題以「認同度線性刻度」1~10 來表示，在所有問題當中，題號 1「這款遊戲能讓我更有興趣從事體操活動」的平均認同度 7.7 最低，反應當前一般大學生普遍不愛運動。題號 4「透過這款遊戲，我能了解我所操作的體操動作」的平均認同度 9.1 最高，顯示本遊戲有助於使用者理解所要操作的體操動作。所有題目的認同度均達 7.7 以上，顯示本創作研究可以滿足第一及第二項研究目的。關鍵字：圖形符號、體感互動、輔助學習、體操教學. i.

(4) Abstract In this study, we propose a somatosensory interaction system for assisting gymnastics learning. Regarding to high school new aerobics, a set of graphic symbols are designed to be automatically generated according to the human body motion. The purposes are to induce the students' interest in learning, help them developing exercise habits, enjoy sports fun, and at last improve their physical fitness. In this study, we use Microsoft Kinect V2 as an image capture tool to get the gymnastics movement information. The captured 3D information of each gymnastics movement was transferred to corresponding graphic symbol through the program and appeared on the screen. The proposed system can automatically generate graphical symbols corresponding to real human actions in real time to enhance the interest and motivation of learning. The purpose of this creation is threefold: First, the use of new technology to integrate gymnastics teaching, mobilize students' learning emotions, and thus improve the effectiveness of teaching activities to achieve better learning outcomes. Second, motivate students to practice gymnastics in a game. Develop the habit of exercising through gymnastics exercises to enhance students' physical fitness. Third, convert user actions into graphical symbols corresponding to their body's movements. We designed two questionnaires to exam whether the proposed creative study achieved these three goals. The first questionnaire was designed for the third purpose of this creation. For the second edition of the design we created, among the 72 users, more than 80% users response "satisfactory" or "very satisfied" to static motion graphics symbols, and more than 90% users response "satisfactory" or "very satisfied" to dynamic motion graphics symbols. It is shown that the research of this creation has reached the goal of "converting user actions into graphical symbols corresponding to their body's movements." The second questionnaire was designed the first and second. ii.

(5) research purposes of this creation. After playing our system, the users would use scale 1 to 10 to response their satisfaction. Among all the questions, the average score of question number 1 “This game allows me to be more interested in gymnastics activities” is 7.7, which reflects that the current general college students generally do not like sports. Question No. 4 "I can understand the gymnastics movements I operate through this game" has the highest average score of 9.1, which shows that the game helps users understand the gymnastics movements they want to operate. All questions reach a score of 7.7 or more, indicating that this creation study satisfies the first and second research purposes. Keywords: graphic symbols, pictograms, somatosensory interaction, assisted learning, gymnastics teaching. iii.

(6) 目摘. 錄. 要............................................................................................................................. i. Abstract .........................................................................................................................ii 目. 錄........................................................................................................................... iv. 表目錄........................................................................................................................... vi 圖目錄..........................................................................................................................vii 第一章緒論.................................................................................................................. 1 第一節. 研究背景與動機........................................................................................ 1. 第二節. 研究目的與方法........................................................................................ 5. 第三節. 名詞釋義.................................................................................................... 8. 第四節. 研究範圍與限制...................................................................................... 10. 第五節. 論文架構與流程...................................................................................... 11. 第二章文獻探討........................................................................................................ 13 第一節. 運用新科技輔助教學的重要性分析 ..................................................... 13. 第二節. 虛擬實境融入教學的理論依據.............................................................. 17. 第三節. 體感設備分析與研究.............................................................................. 21. 第四節. 利用 Kinect 體感裝置輔助教學的相關研究 ........................................ 24. 第五節. 使用圖形符號的人體動作視覺設計探討 ............................................. 27. 第三章創作過程與作品說明.................................................................................... 36 第一節. 創作理念.................................................................................................. 36. 第二節. 第一版「輔助體操學習之體感互動設計」創作 ................................. 38. 第三節. 第一次問卷調查設計與分析.................................................................. 45 iv.

(7) 第四節. 第二版「輔助體操學習之體感互動設計」創作 ................................. 51. 第五節. 第二次問卷調查設計與分析.................................................................. 57. 第六節. 創作歸結與作品說明.............................................................................. 60. 第七節. 畢業成果展.............................................................................................. 77. 第四章結論與建議.................................................................................................... 81 第一節. 研究心得與結論...................................................................................... 81. 第二節. 建議.......................................................................................................... 84. 參考文獻...................................................................................................................... 85. v.

(8) 表目錄表 1-1-1 各年齡層重高常數 ........................................................................................ 3 表 1-1-2 重高指數與體重狀況 .................................................................................... 4 表 2-5-1 AIGA 設計的標誌符號 ............................................................................... 28 表 3-3-1 新式健身操圖形符號識別度調查問卷 ...................................................... 46 表 3-3-2 使用滿意度調查問卷 .................................................................................. 47 表 3-3-3 針對本創作動作圖形符號設計之問卷結果 .............................................. 48 表 3-3-4 針對本創作動作圖形符號設計之問卷建議事項 ...................................... 49 表 3-3-5 使用者試玩遊戲後之認同度問卷調查結果 .............................................. 50 表 3-4-1 使用 5 種色調在 2 個人體動作之中描繪肢體邊框的圖形符號 .............. 56 表 3-5-1 第二次問卷調查所選用的人體運動圖形符號 .......................................... 57 表 3-5-2 針對本創作動作圖形符號設計之問卷結果 .............................................. 58 表 3-5-3 使用者試玩第二版遊戲後之認同度問卷調查結果 .................................. 59. vi.

(9) 圖目錄圖 1-2-1 本創作之研究目的 ........................................................................................ 5 圖 1-3-1 命令列介面例子：「附屬應用程式」裡的「命令提示字元」 .................. 9 圖 1-3-2 圖形使用者介面例子：「附屬應用程式」裡的「小算盤」 ...................... 9 圖 1-5-1 本創作研究之論文架構 .............................................................................. 12 圖 2-1-1 （a）透明片投影機；（b）以透明膠片配合透明片投影機展示教材.... 13 圖 2-1-2 互動式電子白板，可供學生以觸控方式操作 .......................................... 14 圖 2-2-1 虛擬實境的三個特色：三個 I ................................................................... 19 圖 2-3-1 Wii 主機及其控制器。 ................................................................................ 21 圖 2-3-1 Kinect V2 的基本結構 ................................................................................. 22 圖 2-3-2 Kinect V2 的深度攝影機所擷取的 25 個關節點位置 ............................... 23 圖 2-4-1 Kinect 體感技術輔助國小健身操學習系統............................................... 24 圖 2-4-2 Kinect for XBOX 360 運用於國中輔助舞蹈教學 ..................................... 25 圖 2-5-1 1936 年柏林夏季奧運會所設計的圖形符號 .............................................. 29 圖 2-5-2 1964 年東京夏季奧運會所設計的圖形符號 .............................................. 30 圖 2-5-3 1984 年洛杉磯夏季奧運所使用的圖形符號 .............................................. 31 圖 2-5-4 2000 年雪梨夏季奧運所使用的圖形符號 .................................................. 32 圖 2-5-5 2008 年北京夏季奧運所使用的圖形符號 .................................................. 33 圖 2-5-6 2016 年里約熱內盧夏季奧運所使用的圖形符號 ...................................... 34 圖 3-2-1 Kinect V2 與電腦的連結示意圖 ................................................................. 38 圖 3-2-2 「火柴人」骨架圖（a）雙手張開（b）雙手上舉（c）側身抬腿 .. 41 圖 3-2-3 本研究用以表示人體的 10 個部位，手腳各以兩個肢節來表示 ............ 41 圖 3-2-4 Kinect 透過 SDK 函式所得之骨架圖以及經過轉換後的圖形符號對照圖（a）後抬腿運動（b）下肢運動（c）走跳運動 ............................... 41 圖 3-2-5 四款人體圖形 .............................................................................................. 42. vii.

(10) 圖 3-2-6 四款人體圖形的十個身體部位分解圖 ...................................................... 42 圖 3-2-7 新式健身操中「踏步運動」的真人動作與轉換後之圖形符號對照圖 .. 43 圖 3-2-8 新式健身操中「擺盪運動」的真人動作與轉換後之圖形符號對照圖 .. 44 圖 3-4-1 由 P1 到 P2 畫一個寬度為 20 個像素點的長方形 ..................................... 51 圖 3-4-2 在長方形兩端製造出較為圓滑的效果 ...................................................... 52 圖 3-4-3 此一兩端圓滑狀的長方形與本創作研究中的肢體部位關係 .................. 52 圖 3-4-4 長方形四個頂點 C1, C2, C3, C4 的座標位置 .............................................. 53 圖 3-4-5 長方形的四個頂點座標計算範例 .............................................................. 55 圖 3-4-6 代表肢體之長方形的兩側邊框 .................................................................. 55 圖 3-4-7 將代表肢體的長方形兩端加以圓滑化並且加上邊框，及其人體圖形 .. 55 圖 3-4-8 將兩端的圓形邊框移到最下層顯示所顯示的人體圖形 .......................... 56 圖 3-4-1 本創作研究之體感互動新式健康操遊戲選單 .......................................... 60 圖 3-4-2 踏步運動 ...................................................................................................... 61 圖 3-4-3 體側運動 ...................................................................................................... 62 圖 3-4-4 擺盪運動 ...................................................................................................... 63 圖 3-4-5 下肢運動 ...................................................................................................... 64 圖 3-4-6 上肢運動 ...................................................................................................... 65 圖 3-4-7 轉體運動 ...................................................................................................... 66 圖 3-4-8 走步運動 ...................................................................................................... 67 圖 3-4-9 跑步運動 ...................................................................................................... 68 圖 3-4-10 搖擺跳躍運動 ............................................................................................ 69 圖 3-4-11 V 字打拳運動 ............................................................................................. 70 圖 3-4-12 走跳運動 .................................................................................................... 71 圖 3-4-13 後抬腿運動 ................................................................................................ 72 圖 3-4-14 側踏收腿運動 ............................................................................................ 73 圖 3-4-15 放鬆運動 .................................................................................................... 74 viii.

(11) 圖 3-4-16 舒緩運動 .................................................................................................... 75 圖 3-4-17 呼吸運動 .................................................................................................... 76 圖 3-4-18 畢業展創作研究輸出圖 ............................................................................ 77 圖 3-4-19 畢業展展場圖 ............................................................................................ 78 圖 3-4-20 新式健身操圖形符號（下頁續） ............................................................ 79 圖 3-4-20 新式健身操圖形符號（接上頁） ............................................................ 80. ix.

(12) 第一章緒論第一節研究背景與動機運動是有效增進健康體適能的首要方法，長期規律運動可以達到維持身體健康，改善健康體適能的目的。有多項研究指出長期有計畫且規律的運動可以強化心臟血管機能、強化呼吸器官功能、控制體重、幫助減少體脂肪、增強抵抗力、增強肌力和肌耐力、預防骨質疏鬆和關節疾病、並能增加自信心，紓解工作生活壓力（李勝雄譯，2001）。若能從小培養運動的興趣，就可以建立終身運動的習慣，進而享受運動樂趣，提升體適能。在我國目前的教育體制以及社會環境的影響之下，一般學生以及家長普遍重視智育，而較為忽視德育、體育、以及群育的發展。其中，德育和群育的培養有賴於家庭、學校、以及社會共同努力，引導學生建立正確的價值觀以及行為準則。體育的培養則常受限於生活習慣、興趣、場地、師資、教材等因素，導致學生無法養成運動的習慣，久而久之，失去了運動的興趣與習慣，個人體能下降的同時，國家競爭力也隨之下降。有鑒於此，我國有關當局積極推動各種鼓勵人民運動，以提升健康體適能的政策。教育部為了提升學生體適能、促進學生身心健康，先後於民國 88 年推動「提升學生體適能中程計畫（333 計畫）」、民國 93 年起推動「中小學生健康體位五年計畫」、民國 96 年推動「快活計畫（快樂運動、活出健康）」。所謂 333 計畫，意即每週至少運動 3 次（3 天），每次最少達到 30 分鐘，每次運動後心跳率，依個人狀況，達到約每分鐘 130 次。目的在於養成學生規律的運動習慣、增加學習效率，促進發育成長，提升身心健康。除此之外，教育部亦積極推行體適能護照，協助學生藉由紀錄每週的運動狀況來了解自己的體適能狀況。體適能護照除了能記錄個人的運動軌跡之外，也可以協助學生獲取正確的運動處方，知道該加強那些方面的運動。希望能經由培育學生的運動知能，激發學生運動的動機與興. 1.

(13) 趣，最後達到養成規律運動的好習慣。除此之外，為了引導學校、學生及家長重視體適能，教育部進一步以升學加分為誘因，於民國 96 年開始辦理「體適能納入升學計分推廣計畫」，針對高中職多元入學管道中之申請入學，以及大專校院之甄選入學，鼓勵高中及大專院校將體適能檢測成績納入申請入學計分之特別條件加分項目中。以上各項計畫，都是期望透過推廣各項學校體育活動計畫，鼓勵學生增加身體活動時間，培養學生建立規律運動習慣，提升學生體適能（教育部，2016）。健身操是有效提升體適能的運動項目之一，教育部為了活絡校園的運動風氣，創新體育教材，委託台北市立體育學院編製第二代健身操教材，並於 2004 年八月發表。蔡頌梅（2008）針對第二代新式健身操，探討其對高中男女學生健康體適能之影響。研究結果顯示：高中男女學生每週三次，每次做三個循環的新式健身操訓練，對於「身體質量指數」、「柔軟度」、「肌耐力」、「心肺耐力」、「瞬發力」皆能達到顯著提升。顯示規律性的進行新式健身操活動，可以有效提升高中男女學生之體能狀況。黃文俊（1999）在其研究中針對 20 位參與研究之學童進行十六週的課間有氧新式健身操介入運動，參與研究的學童平均年齡為 11.07±0.41 歲、身高為 143.63±5.13 公分、體重為 37.98±8.89 公斤。受試學童需要進行每週三至六天、每天一次約十分鐘、心跳頻率平均達到 136 次/分的有氧新式健身操活動。經過實施十六週的有氧新式健身操訓練後，分析介入運動前、後的體適能測驗資料，結果顯示受試學童的肌力、肌耐力與心肺耐力均獲得明顯的改善。林秋霞（2001）針對 40 位（實驗組 20 位、對照組 20 位）自願參加的學童進行坐姿體前彎、一分鐘屈膝仰臥起坐、八百公尺跑走等項目進行前測及後測研究。所有參加學童經身高、體重換算為重高指數、均為重高指數評定過胖。研究結果證實新式健身操能促使肥胖學童擁有較佳的健康體適能。運動和控制體重是一輩子的事，要鼓勵青少年在日常生活中增加活動機會，使運動融入於生活之中。在此一研究中，使用 WHI（Weight Height Index，重高指數）作為評量標準，而 2.

(14) 非一般所常用的 BMI（Body Mass Index，身高體重指數），因為重高指數才是適用於計算 19 歲以下學童體重標準的一種評量方式。考慮到包含生長發育等因素，學童在兒童至青春期之前，以較不適合使用 BMI 計算方式方法來評估體位，所以對於 19 歲以下的青少年及兒童，建議採用重高指數來作為體位判斷的標準。重高指數的計算方式如下：重高指數 = 體重（公斤） / 身高（公分） / 該年齡層之重高常數重高常數 = 該年齡層第 50 百分位體重/ 第 50 百分位身高. 各年齡層的重高常數如表 1-1-1 所示。重高指數介於 0.9-1.09 之間為正常，重高指數在 1.1-1.19 為過重，重高指數大於 1.2 即為肥胖，如表 1-1-2 所示。. 表 1-1-1 各年齡層重高常數重高常數. 年齡（足歲）. 男. 女. 3. 0.150. 0.142. 4. 0.154. 0.149. 5. 0.161. 0.155. 6. 0.169. 0.165. 7. 0.177. 0.171. 8. 0.188. 0.183. 9. 0.200. 0.192. 10. 0.212. 0.210. 11. 0.225. 0.232. 12. 0.248. 0.250. 13. 0.270. 0.277. 14. 0.294. 0.286. 15. 0.309. 0.286. 16. 0.325. 0.297. 17. 0.333. 0.299. 18. 0.342. 0.308. 19 0.351 0.314 （資料來源：教育部體育署體適能網站） 3.

(15) 表 1-1-2 重高指數與體重狀況重高指數. 體重狀況. <0.80. 瘦弱. 0.80 – 0.89. 過輕. 0.90 – 1.09. 正常. 1.10 – 1.19. 過重. 過胖 >=1.20 （資料來源：教育部體育署體適能網站）. 只是，許多研究都論及健身操在推廣上有「教材太難」的問題，所以如何增進學生健身操的學習是推廣健身操極重要的課題。傳統上，可以使用多媒體影片實施體操或舞蹈教學，但這種傳統的多媒體教學在動作學習上無法即時給予「外在回饋」。也就是說，當學生不知如何做動作或是動作錯誤的時候，無法得到及時的指導與糾正。這種傳統的多媒體教學的趣味性較低，難以引發學童主動學習的意願。因此，本研究提出一套輔助體操學習之體感互動系統，針對高中健身操，以依據人體動作而自動產生的圖形符號設計誘發學童的學習興趣，進而達到幫助學童養成運動習慣、享受運動樂趣，提升體適能的目標。使用「動作擷取系統」可以解決「外在回饋」的問題，但大部分的「動作擷取系統」技術門檻高、價格昂貴而且要穿戴感測裝置，一般學生在經濟上無法負荷。本研究之「輔助體操學習之體感互動設計」採用微軟公司出品的 Kinect V2 作為影像捕捉工具，目前市面價格約為一台新台幣 3000 元，使用者不須穿戴感測裝置，相當適合學童在家中或個人場所操控使用。透過 Kinect V2，本創作之互動設計可以擷取體操教練的動作資訊，建立三維的體操動作資料庫，最後將每一體操動作的三維資訊透過程式轉為相對應的圖形符號，顯現於螢幕之上，達到以趣味性引發學習動機、輔助學習的目的。. 4.

(16) 第二節研究目的與方法一、研究目的本研究旨在運用 Kinect 來設計輔助體操教學之應用軟體，達到輔助教學目的，其具體的研究目的包含運用新科技融入體操教學以取得較佳的學習成效、引領學生養成運動習慣以及設計足以表現人體運動的圖形符號，如圖 1-2-1 所示。. 運用新科技融入體操教學以取得較佳的學習成效 • 將虛擬實境的體感技術融入教學 • 調動學生學習的情緒 • 進而提高教學活動的效能. 引領學生養成運動習慣 • 以遊戲的方式引起學生練習體操的動機 • 進而經由體操練習養成運動的習慣 • 增強學生體適能. 設計足以表現人體運動的圖形符號 • 設計體感互動遊戲的自然使用者介面 • 以互動的方式即時(real time)將使用者的動作轉換成相對應的圖形符號. 圖 1-2-1 本創作之研究目的. (一)、運用新科技融入體操教學以取得較佳的學習成效將虛擬實境的體感技術融入教學，調動學生學習的情緒，進而提高教學活動的效能。隨著科技的發展，在教學上，除了傳統的教學方式之外，教師們利用電腦或科技整合教學來加強學習成效已經成為趨勢，目的在於調動學生學習的情緒，進而提高教學活動的效能。國內外的專家學者已經將科技整合輔助教學視為一項重要主題，藉由資訊技術來彌補傳統教學方式的不足，並且積極提升學生的資訊素養，以新科技融入教學來取得較佳的學習成效，提升學生的學習效果。. 5.

(17) (二)、引領學生養成運動習慣以遊戲的方式引起學生練習體操的動機，進而經由體操練習養成運動的習慣，增強學生體適能。在本創作研究當中，我們將設計一款「輔助體操學習之體感互動設計創作」，以遊戲的方式引起使用者練習體操的動機，並且藉由遊戲引領教學。這一款學習輔助系統具有即時同步顯示示範動作與使用者動作的功能，可以讓使用者即時比較自己動作與示範動作的差別，修正自已的動作，避免錯誤。觀察模仿是動作學習的主要方式之一，在學習時若能同時獲得自己的動作訊息，更是有助於學習。本創作研究採用微軟公司所生產的 Kinect V2 作為使用者動作資訊的擷取工具，Kinect V2 攝影機可以偵測全身 25 個關節點的即時變化，並對物體的深度具有感應能力，可以針對全身性活動進行遊戲互動。由測試可知 Kinect 確實可以取得全身大致正確而即時的資料變化進行互動設計與動作幅度的檢測，可進一步設計 3D 動作擷取錄影、動作示範或創作分享方面的應用。經由本遊戲練習體操活動，希望能達到提昇使用者肢體運用能力、增加其肢體運動的興趣及增強自信心，進而達到養成運動習慣、增強體適能的目標。 (三)、設計足以表現人體運動的圖形符號設計體感互動遊戲的自然使用者介面，以互動的方式即時將使用者的動作轉換成相對應的圖形符號。在將虛擬實境系統融入教學的設計上，使用者介面（User Interface，UI）的設計也需要列入考量。由於 Kinect 是屬於體感裝置，因此非常適合應用於自然使用者介面之設計。對於體感設備而言，會建議設計成自然使用者介面（Nature User Interface, NUI）。二、研究方法本研究採用「文獻分析法」來探討運用體感互動設計於輔助學習之可行性、預期效益、使用限制以及可改善之方向。接著以根據研究結果，以發展行動策略，創作「輔助體操學習之體感互動設計」。在創作方面，我們採「行動研究法」與「問卷調查法」交錯進行的方式，輔以「觀察法」來進行創作。首先，以「行動. 6.

(18) 研究法」創作出第一代的「輔助體操學習之體感互動設計」遊戲介面與表現人體運動狀態的圖形設計，然後以「問卷調查法」設計問卷，調查使用者對於此一創作設計的滿意度，以及收集回饋意見。在分析第一次問卷調查結果之後，根據使用者所反映的回饋意見，對「輔助體操學習之體感互動設計」創作作出相對應的調整，然後再針對調整後的「輔助體操學習之體感互動設計」遊戲介面與表現人體運動狀態的圖形設計進行第二次的問卷調查，再一次地調查使用者對於調整後創作設計的滿意度，並收集回饋意見。兩次問卷調查的對象盡量保持一致，用來參照比較兩次統計結果，才能避免因為不同受測者所導致的誤差。最後，如有必要，再根據第二次問卷調查的結果以及使用者所反映的回饋意見微調，完成此一「輔助體操學習之體感互動設計」創作。在「文獻分析法」中，我們將探討各種體感科技輔助教學的相關研究。我們主要討論兩篇同為應用 Kinect 來輔助肢體運動學習的研究，其一為國立台中教育大學數位內容科技學系碩士論文「應用 KINECT 體感技術輔助國小健身操學習系統設計架構」（鄭博旗、王曉璿，2013），以及高雄師範大學工業科技教育學系碩士論文「Kinect for XBOX 360 運用於國中輔助舞蹈教學之研究-以《Dance Central™ 2》為例」（黃炳泰、江文鉅，2012）。並且探討其他應用體感教學於其他方面教學輔助的論文著作，最後將這些論述統整起來，作為我們設計此一研究的參考。在「問卷調查法」中，我們將設計兩份問卷：其一為針對我們根據 Kinect 所擷取的人體運動資訊即時轉換，設計出代表此一運動的圖形符號，調查這一組運動圖形符號可供識別的程度。其二為在遊戲設計完成後，請使用者試玩，以「觀察法」觀察使用者試玩的實際情形，並且調查使用後的滿意度及建議。在本研究，我們將作兩次問卷調查，每次兩份問卷。第一次問卷調查是在系統初步設計完成後，調查試用者的反應以及建議。然後根據第一次調查的結果，對系統做相對應調整，完成後再做第二次問卷調查。比較前後兩次問卷的滿意度，如有需要，再對系統做進一步的微調。. 7.

(19) 第三節名詞釋義一、虛擬實境（Virtual Reality，VR）虛擬實境是指利用電腦模擬出一個立體、高擬真的三維虛擬環境，提供使用者包含視覺、聽覺、嗅覺、味覺等身體感官的模擬，讓使用者體會彷如身歷其境的感覺。當使用者穿戴特殊電子裝置（VR 眼鏡、顯像式頭盔或力回饋手套）進入此一虛擬環境後，能夠產生如同身處在現實環境中一般的錯覺，藉由操作控制器與這個虛擬環境互動。虛擬實境技術整合了電腦圖學（Computer Graphics）、電腦模擬（Computer Simulation）、人工智慧（Artificial Intelligence）、體感（Somatosensory）、顯示（Display）及網路平行處理（Network Parallel Processing）等技術，是一種由電腦技術輔助生成的模擬系統。二、擴增實境（Augmented Reality，AR）擴增實境是一種將虛擬世界的資訊擴增（Augment）到現實生活空間之中的技術。此一技術將電子虛擬物品與現實空間相結合，在現實空間中「擴增」出虛擬物件，所以稱為擴增實境。擴增實境與虛擬實境不同的地方在於擴增實境不是創造出完全虛擬的環境，而是將電腦生成的圖像加在現實環境之上。例如，由任天堂公司、神奇寶貝公司授權，由 Niantic, Inc. 開發和營運的《神奇寶貝 GO》（Pokemon GO）就是一款基於位置服務的擴增實境手機遊戲。三、圖形使用者界面（Graphical User Interface，GUI）圖形使用者介面是指以圖形的方式來呈現用戶操作介面於電腦螢幕。早期的電腦是使用的命令列介面（Command-Line Interface，CLI），用戶通常需要經由鍵盤輸入指令。目前個人電腦 Windows 作業系統中，「附屬應用程式」裡的「命令提示字元」功能即為一命令列介面，如圖 1-3-1 所示。與 CLI 相比，圖形使用者介面在視覺上更易於讓使用者接受，目前電腦作業系統中絕大部分的應用軟體均屬於圖形使用者介面，Windows 作業系統中，「附屬應用程式」裡的「小算盤」功能即為一圖形使用者介面，如圖 1-3-2 所示。. 8.

(20) 圖 1-3-1 命令列介面例子：「附屬應用程式」裡的「命令提示字元」. 圖 1-3-2 圖形使用者介面例子：「附屬應用程式」裡的「小算盤」. 四、自然使用者介面（Natural User Interface，NUI）相對於圖形使用者界面而言，自然使用者界面在與電子產品的互動方式有所不同。圖形使用者界面需要事先學習操作介面以及如鍵盤、滑鼠等輸入裝置。自然使用者界面則是希望人們能夠透過自然的方式與電子產品交流。體感操作、觸控式輸入以及語音辨識都是屬於常見的自然使用者界面。. 9.

(21) 第四節研究範圍與限制以下針對本研究進行時所使用之研究範圍，以及軟體、硬體、使用者操作方式等前提限制進行描述： 1.. 本研究所使用之體感互動裝置為微軟官方公布上市之 Kinect for Windows v2，電腦硬體配備需求如下：硬體：64bit、雙核心 3.1Ghz 以上的處理器；系統記憶體：4GB 以上；顯示卡：支援 DirectX 11 的圖形處理單元（GPU）；以及可支援的 USB 3.0 控制器。. 2.. 個人電腦需使用 USB 3.0 控制器連結 Kinect for Windows v2。. 3.. 電腦作業系統需為 Windows 8 以上。. 4.. 本研究所使用之 Kinect 體感控制器的深度攝影機感應距離至少為 0.7 公尺以上，而要達到使用者姿態辨識的功能，使用者應距離感應器約 1.4 至 3.5 公尺之間。並且本研究不討論使用複數 Kinect 感應器的情況。. 5.. 本研究所使用之 Kinect 體感控制器的反應延遲為 66 ms，逼近一般人們反應極限。. 6.. 本研究設計之互動式體操學習系統，每次使用人數上限為 1 人。. 10.

(22) 第五節論文架構與流程本創作研究共分為四章，論文架構如圖 1-5-1 所示。在第一章「緒論」中，首先說明本創作研究的研究背景與動機，以及研究目的和研究方法。藉由這兩段說明來釐清本創作研究的主題與宗旨。接著對出現在本論文中的一些專有名詞加以釋義。有些名詞固然會在日常生活中不時出現，但不見得能明確知道這些名詞所代表的含意，因此有必要加以明確定義。接著說明本研究的涵蓋範圍以及應用上的需求與限制。最後則是本節說明論文架構與流程。第二章「文獻探討」首先針對「運用新科技融入教學」與「電腦輔助教學」的重要性分別加以探討。由於本創作研究的主題是運用 Kinect 來設計輔助體操教學之應用軟體，達到輔助教學之目的，因此緊接著探討應用虛擬實境融入教學的相關研究以及理論依據，並且分析各種體感設備，以及探討各種體感科技輔助教學的相關研究。最後，由於本創作研究的目的之一為設計足以表現人體運動的圖形符號，因此也針對本創作的主要參考對象，歷屆夏季奧運人體動作圖形符號的視覺設計加以探討。第三章「創作過程與作品說明」首先說明本研究的創作理念，接著說明創作過程以及創作結果。在本創作中，我們採取實作研究與問卷調查交互進行的方式來開發此一體感互動系統。也就是說，在完成第一版「輔助體操學習之體感互動設計」之後，我們先做第一次問卷調查設計與分析，針對第一次問卷調查中使用者的回覆意見加以改善之後，再發展第二版「輔助體操學習之體感互動設計」，並且作第二次問卷調查設計與分析以確認有達到我們所設定的目標。最後則是針對完成的作品加以說明並作出創作歸結。第四章「結論與建議」對本創作研究作出總結，針對本論文在第一章所提出的研究目的，檢驗本創作研究是否達到目標，並且說明在此一創作過程中的心得與結論。最後則是對本創作未竟之處提出未來目標及改進建議。. 11.

(23) 緒論. •運用新科技輔助教學的重要性分析 •虛擬實境融入教學的理論依據 •體感設備分析與研究 •各種體感科技輔助教學的相關研究 •使用圖形符號的人體動作視覺設計探討. 文獻探討. 創作過程與作品說明. 結論與建議. •研究背景與動機 •研究目的與方法 •相關名詞釋義 •研究範圍與限制 •論文架構與流程. •創作理念 •第一版「輔助體操學習之體感互動設計」 •第一次問卷調查設計與分析 •第二版「輔助體操學習之體感互動設計」 •第二次問卷調查設計與分析 •創作歸結與作品說明. •研究心得與結論 •建議. 圖 1-5-1 本創作研究之論文架構. 12.

(24) 第二章文獻探討第一節. 運用新科技輔助教學的重要性分析. 運用科技輔助教學以取得較佳的教學成效是當前的教育趨勢，在許多先進國家，科技融入教學已有超過三十年的歷史。隨著科技的發展，在教學上，除了傳統的教學方式之外，教師們利用電腦或科技整合教學來加強學習成效，目的在於調動學生學習的情緒，進而提高教學活動的效能。國內外的專家學者已經將科技整合輔助教學視為一項重要主題（Dexter, Anderson, & Becker, 1999; Dias, 1999; Ertmer, Addison, Lane, Ross, & Woods , 1999; Sprague & Dede , 1999）。傳統的教學方式是以粉筆在黑板上繪圖或書寫，配合教師以口語以及身體語言的表述，用以傳達教師所要傳授給學生的知識與內容。隨著時代的演進，教學方式也隨之進化，各式各樣的教材與教具推陳出新。大約在 1980 年代起，以透明膠片配合投影機（Overhead Projector）使用，將教材投射在螢幕上成為主流的教學方式，這種透明片投影機如圖 2-1-1 所示。教師在透明膠片（transparency）上事先準備好上課教材，在課堂上更換透明膠片以展示所要講解的內容。在各種類型的研討會以及發表會上，也都以這種展示方式為主。. （a）. （b）. 圖 2-1-1 （a）透明片投影機；（b）以透明膠片配合透明片投影機展示教材（資料來源：（a）Amazon: Apollo Overhead Projector, 15 x 14 x 27 Inches, Closed Head；（b）Wikipedia: Overhead projector）. 13.

(25) 隨著個人電腦以及網際網路的興起，透明片投影機逐漸被投影機播放電子檔投影片所取代。以投影機播放教師事先製作的教學投影片至今仍是教學的主流，優點在於投影片檔案可以結合網路與多媒體內容，動態的教材內容使得學生更容易吸收理解，也更能夠調動學生的學習興趣。電子檔的投影片教材在經過適當的整理之後，也相當方便提供給學生回家做後續研讀及參考。多媒體輔助教學也成為一個熱門的研究主題。以上所論述的教學方式屬於單向式的教材，亦即學生單向的接收教師所傳遞的訊息。當然，課堂上師生會有互動，但是這是師生之間的互動，不屬於教材本身所造成的互動。互動式電子白板（Interactive Whiteboard）的出現帶來了新的教學方式，它將教師準備好的數位教材顯示到電子白板上，並以觸控技術讓學生得以在電子白板上操作並控制顯示畫面，所以教材可以更多樣化。互動式電子白板如圖 2-1-2 所示。由於學生可以親自參與，即時與教材內容互動，也就更容易調動學生的學習興趣。互動式電子白板的價格較為昂貴，通常由教學機構或是教師個人準備，學生家中不會配置。. 圖 2-1-2 互動式電子白板，可供學生以觸控方式操作（資料來源：Rapidonline: Qomo QWB200-PS H01 78" Interactive Porcelain Steel Infrared Whiteboard HID）. 14.

(26) 常見電腦輔助教學（Computer Assisted Instruction, CAI）與資訊科技融入教學（Technology Integrated Instruction）兩個名詞，可以簡單地將觀點分為「將電腦視為工具」以及「將電腦同時視為工具以及內容」兩種觀點。而科技融入教學與電腦輔助教學最根本的差異在於電腦輔助教學並未強調整合的觀點（邱貴發， 1990）。電腦輔助教學的定義為使用電腦來幫助學習，根據教學理念來設計教材，以電腦來呈現。有效的教學可分為四個階段：一、教師呈現教材內容；二、教師引導與學生學習；三、學習者思索與練習；四、學習成效的評估（Alessi & Trollip， 1985）。Alessi 和 Trollip （1985）將 CAI 軟體依教學的表現方式分成五大類：教導式（tutorials）、練習式（drills）、模擬式（simulations）、測驗式（tests）、遊戲式（games）。教導式 CAI 軟體由電腦系統呈現教材，學生可以依照自己學習的速度以及進度學習。模擬式 CAI 軟體提供學習者模擬情境，學生與系統互動，接觸並體驗平時沒辦法獲得的現象。練習式 CAI 軟體利用電腦反覆練習以加強學生的知識的印象或技能的熟練度。測驗式 CAI 軟體是指學生利用電腦進行上機考試取代紙筆測驗。遊戲式 CAI 軟體以遊戲的形式給學生在娛樂的過程中學習，提高學生學習的動機。相較於電腦輔助教學，資訊科技融入教學是一個較新的名詞。資訊科技融入教學不只是注重教學過程中使用電腦，將電腦用做輔助的工具，而是將電腦融入教學當中。資訊科技融入教學需要將既有的課程與教材重新加以設計，教學的方式也可能需要大幅的轉變。電腦輔助教學與資訊科技融入教學的不同之處可在「概念與精神」、「角色」、「範圍」、「目的」、「實施」五方面進一步地加以比較分析：在「概念與精神」上，資訊科技融入教學是無法將科技與教學分開的，而電腦輔助教學只是輔助，可以清楚的切割電腦輔助與教學。在「角色」上，資訊科技融入教學中的資訊科技之於教學是不可或缺的。相較之下，電腦輔助教學中只有偶爾用到資訊科技。在「範圍」上，資訊科技融入教學的範圍大於且包含了電腦輔助教學。電腦輔助教學指的是師生使用特定的 CAI 軟體進行教學和學習，使用各種事先設計好的材料。資訊科技融入教學則包含了電腦與網路相關的各種 15.

(27) 教學活動，操作 CAI 軟體、使用文書處理器、上網搜尋資料、發送電子郵件、使用試算表進行計算。在「目的」上，資訊科技融入教學與電腦輔助教學均都是以提升教學品質為目的，由於資訊科技融入教學所包含的範圍更廣，也更強調經由有意義的學習活動來達成高層次的學習資訊科技融入教學應該能帶來更好教學品質。在「實施」上，實施電腦輔助教學不需要將既有的課程、教學方式再以重新設計，只是將操作 CAI 軟體加入課程。相對之下，資訊科技融入教學在實施上較困難（王全世，2000）。然而教學結果並不必然與教學媒體的使用有正相關，學習的成效很大程度會受到教學活動設計的影響，有良好的設計才能讓資訊科技融入教學的使用得到適當的發揮。應該避免刻意融入資訊科技，而是以教學成效為最終目的來設計教學活動。在將虛擬實境系統融入教學的設計上，使用者介面（User Interface，UI）的設計也需要列入考量。自然使用者界面（Nature User Interface, NUI）是指相對於圖形使用者界面（Graphical User Interface，GUI）而言，在與電子產品的互動方式有所不同。圖形使用者界面需要事先學習操作介面以及輸入裝置如鍵盤、滑鼠等，自然使用者界面則是希望人們能夠透過自然的方式與電子產品交流。對於體感設備而言，設計成自然使用者介面是很合理的一種做法。體感操作、觸控式輸入以及語音辨識都是屬於常見的自然使用者界面。由於 Kinect 是屬於體感裝置，因此非常適合應用於自然使用者介面之設計。唐偉豪（2012）將 Kinect 之互動設計應用於伴唱系統，並於此一系統探討自然使用者介面的實現與開發過程中所發現之限制。並將開發過程中所發現之限制分為玩家角色、游標式選取、非游標式選取、姿態辨識、動作提示等項目，給予設計建議。. 16.

(28) 第二節. 虛擬實境融入教學的理論依據. 教學過程中，常會受到師資、安全、經濟、需求設備、時間和環境等因素的限制而影響教學成效。資訊科技的進步，讓虛擬實境（Virtual Reality，VR）成為可能，得以克服上述之限制，提升教學成效。虛擬實境系統利用電腦模擬出一個三維空間的虛擬世界，在此一虛擬世界中，使用者可以獲得如同真實世界中身體感官的各種感受（可以包含一種或多種），並且藉此觀察或操作此一虛擬世界中的物件，進而與之互動。用想像力將虛擬世界與真實世界中的物件加以聯結，讓使用者的感覺沉浸於此一虛擬世界。在虛擬實境中，真實世界、虛擬世界與使用者進行互動，將使用者的動作與狀態的改變透過媒體傳送到虛擬世界。利用電腦之軟、硬體及週邊設備，如螢幕、感測裝置、計算元件、力回饋搖桿、3D 音響、頭盔等等。螢幕可以顯示虛擬實境的影像，投射在使用者的視網膜上，感測器可以感知使用者的旋轉角度，計算元件則負責收集感測器的資料，再決定螢幕顯示的畫面為何．讓使用者感覺身歷其境。根據虛擬實境所使用的技術及其所需要的使用者介面，虛擬實境可以分成以下五類（林政宏，1997）：一、桌上型虛擬實境（Desktop VR）這一種虛擬實境的資金需求較低，裝備以滑鼠、軌跡球、搖桿及一般電腦螢幕為主。虛擬世界的景象主要由電腦螢幕來呈現，使用者使用體感裝備來與電腦進行互動。這種虛擬實境形式較缺乏融入效果，使用者仍然會知道其身處於真實世界之中，不會完全沉浸於虛擬世界，大部分的虛擬遊戲都是屬於這類。二、沉浸式虛擬實境（Immersion VR）使用頭戴式顯示器、3D 滑鼠、追踨器、資料手套、立體音效裝置及其他感官輸出裝置來隔絕外界的資訊，並且藉由電腦系統來作情境模擬。在頭戴式顯示器所產生的虛擬世界之中，使用者可以藉由具有感測裝置的手套來傳輸. 17.

(29) 訊息，進行操縱。另外，也可以利用 3D 立體投影機將影像投射到螢幕上，利用偏光鏡來讓使用者產生立體感。這種形式稱為投射型虛擬實境，所造成的環場場景可以提供多人同時使用，大多應用於遊樂場、海生館、科博館等主題展覽上。三、模擬型虛擬實境（Simulator VR）這種類型的 VR 通常是在一個密閉的空間之中模擬特定操作環境，例如模擬機艙的景象、配備、空間等，這種方式可以免掉頭罩以及線路的束縛，但對於硬體的需求較高，常用於駕駛與飛行訓練上。四、虛擬電傳 VR （Telepresence VR）使用者在遠端操作機器人，藉由機器人身上的攝影機來體驗模擬操作。如深海探測、太空衛星維修、以及外科手術等等。五、網路虛擬實境（Networked VR）使用者透過網路來融入虛擬環境中，在網路虛擬實境中，所有參與者共同身處於一個虛擬世界之中，可以交換訊息並進行互動。網路虛擬實境是一個互動的虛擬環境，可用於模擬演訓及網路遊戲。與電腦 3D 動畫相比，在場景與物件的處理上 3D 電腦動畫是用軟體設定人物的造型，透過關鍵畫格的設定產生不同動作間的過程畫格，最後錄製成連續的動畫，使用者只能被動地看錄製好的影像；而虛擬實境利用虛擬實境編輯軟體進行不同物件屬性的設定，使用者可以與場景產生互動，主動地去探索。虛擬實境有三個特色：沈浸（Immersion）、互動（Interaction）、想像（Imagination），交互關係如圖 2-2-1 所示。「沈浸」是指使用者能夠融入虛擬情境，彷彿身處真實情境之中，而不會感覺到身處於虛擬世界。「互動」是指虛擬環境須具備互動功能，人可以與周圍的環境互動，比如在虛擬世界中可以和人打招呼，和虛擬物件互動有慣性和反作用力。而虛擬實境是根據追蹤系統即時描繪（on-line real time rendering），不是預先生成的，所以畫面的精細度較低。虛擬實境將這種人與環境的互動性加入虛擬世界中，讓虛擬世界更為真實。「想像」是指虛擬實境是一個 18.

(30) 想像的世界，可能類似於真實世界，但充滿更多的可能性。虛擬實境藉著人的想像力，將虛擬實境和真實的事物聯想一起。. 沈浸 (Immersion). 想像 (Imagination). 𝐈𝐈 𝟑𝟑. 互動 (Interaction). 圖 2-2-1 虛擬實境的三個特色：三個 I （資料來源：京都情報大學院大學）虛擬實境技術的應用範圍相當廣泛，可以被應用在醫療、軍事、體育、娛樂等產業。目前較為熱門的虛擬實境應用是在遊戲產業，除了遊戲，虛擬實境系統也廣泛的應用於商業，例如虛擬實境店面、虛擬實境試穿衣物、虛擬實境導覽等。使用虛擬實境技術來為學習人員加強訓練，可以降低成本，並且避免掉不必要的風險。除此之外，虛擬實境技術也經常被應用在教育方面，用以提供學習者更為深刻的學習體驗。要製造出虛擬實境的效果，需要設計者提供包含眼、耳、鼻、舌、身、意等六識中的各項模擬元素。其中，眼、耳、身、意等四項元素覺容易以現代科技製造出來，「鼻」和「舌」這兩項屬於嗅覺和味覺的元素，則往往受限於場景環境，較不容易模擬。虛擬實境的用意在於讓使用者享有恍如親身體驗實際場景的感覺，亦即所謂的沉浸式體驗。在教學應用上，透過讓學習者感受沉浸式體驗，可以處進學習動機，並且加強學習效果。隨著當前電子產品的發展，家用電腦與智慧型手機的效能提高、螢幕尺寸日益加大，畫質也有顯著的提升，家用電腦、智慧型手機與 VR 虛擬實境技術結合 19.

(31) 已經成為必然的發展趨勢。詹予緻（2017）研究將 Kinect 與智慧型手機結合，在手機端架構出虛擬實境的人體偵測系統。此研究中分為 Kinect 端與手機端兩個部分：在 Kinect 端偵測人體骨架資訊，將所讀取到的骨架資訊透過無線區域網路傳送至手機端；在手機端則是架構一個手機應用程式（APP）建立三維虛擬實境環境，並接收無線區域網路所傳來的骨架資訊，依此資訊來控制應用程式的人形圖像。互動性（Interactive）是影響虛擬實境沉浸式體驗的一個重要因素，目前虛擬實境互動裝置的主要類型包含「感應控制器」以及「體感裝置」。在虛擬實境系統中，為了增強使用者沉浸式的感覺，往往需要使用者身上穿戴各種感應控制器，再藉由動態捕捉技術擷取感應器上回傳的資訊，將其對應為使用者各個部位的動作，顯現在螢幕上。使用者穿戴感應控制器的互動方式優點是動作判斷準確，缺點則是使用裝備複雜、穿戴比較麻煩、價格也較為昂貴。與穿戴式的感應控制器相比，體感裝置則是則是屬於外部裝置，不需要使用者穿戴任何設備，而是藉由影像處理技術捕捉使用者的動作，直接顯現在螢幕上。體感裝置的優點是使用方便、價格也易於讓一般使用者接受，缺點則是動作判斷較不準確，偵測範圍也容易受到使用裝置以及環境限制。. 20.

(32) 第三節. 體感設備分析與研究. 任天堂公司於 2006 年推出了革命性的的家用遊戲主機 Wii，開創了體感遊戲的新世代。Wii 在開發時的代號為 Revolution（革命），宣稱此一產品將成為電視遊戲的革命，為電視遊戲開創新的世代。所以，Wii 主機和其周邊商品的型號的均以「RVL」做為開頭。圖 2-3-1 為 Wii 主機及其遙控器。圖 2-3-1 右側為 Wii 遙控器（Wii Remote，暱稱 Wiimote）和手腕套繩，Wii 遙控器外型為棒狀，可以單手操作。Wii 遙控器除了像一般遙控器可以用按鈕來控制外，還具有「指向定位」以及「動作感應」兩項功能。Wii 遙控器的「指向定位」功能就如同滑鼠一般可以控制螢幕上的游標，「動作感應」功能可以偵測使用者在三維空間中的移動及旋轉，結合兩項功能，即可達成「體感操作」的遊戲目標，使用者可以透過遙控器來與電視螢幕上的虛擬物件產生互動。Wii 遙控器的工作原理是當使用者擺動遙控器，遙控器中的感應器會接受到一個加速度，從而改變感應器裡面的電容電壓值，經過計算由藍芽傳輸至主機中，將動作表現出來，顯現於螢幕上。. 圖 2-3-1 Wii 主機及其控制器。. 近年來，體感設備最成功的產品當屬微軟的 Kinect，除了 Kinect 之外，Leap Motion 的 Leap 也是相當成功的體感裝置，只要透過 USB 就能與電腦連接使用。Leap 除了支援 Windows 7 以上的作業系統之外，對於 Mac OS 以及 Linux 21.

(33) 作業系統也都有提供支援。Leap 的靈敏度相當高，能偵測到 0.01mm 範圍的動作，比一般體感裝置要靈敏 200 倍，比 Kinect 要高出 100 倍。可惜 Leap 的檢測範圍較小，而且無法檢測身體和臉部，因此不適合用於本創作研究。本研究之「輔助體操學習之體感互動設計」採用微軟公司出品的 Kinect V2 作為影像捕捉工具，Kinect 具有無須持有載具的特性，可應用於創造自然、真實的學習情境。圖 2-3-1 為 Kinect V2 的基本結構，其中，RGB camera 為彩色攝影機；3D Depth Sensor 為紅外線攝影機（亦即深度攝影機），由左邊投影，右邊接收；Multi-Array Mic 為麥克風陣列，收音用，本研究目前並未使用到。我們利用 Kinect 擷取體操示範的動作資訊，建立三維的體操動作資料庫，最後將每一體操動作的三維資訊透過程式轉為相對應的圖形符號，顯現於螢幕之上，達到以趣味性引發學習動機、輔助學習的目的。. 圖 2-3-1 Kinect V2 的基本結構（資料來源：微軟 Kinect for Windows 官方網站） Kinect 攝影機分為彩色攝影機與深度攝影機。彩色攝影機的工作原理與一般攝影機相同，可以取得被拍攝物體的二維 RGB 彩色影像資訊。深度攝影機的原理是將紅外光打到物體的每個點，反射回來給紅外線接收器接收後，量化至 0~255 的區間，以 0 表示最遠；255 表示最近的距離。因此深度資訊呈現的是一張灰階影像，稱為深度圖（Depth Image）。結合兩張影像的資訊，可以得到被拍攝物體的三維影像資訊。圖 2-3-2 為 Kinect V2 深度攝影機所能擷取的 25 個人體關節點位置。與第一代的 Kinect 相較（可以擷取 20 個人體關節點位置），Kinect 22.

(34) V2 所多出的 5 個關節點是用來表示手指以及頸部關節，以增加描述人體三維骨架資訊的精確度。. 圖 2-3-2 Kinect V2 的深度攝影機所擷取的 25 個關節點位置（資料來源：微軟 Kinect for Windows 官方網站）. 23.

(35) 第四節. 利用 Kinect 體感裝置輔助教學的相關研究. 國立台中教育大學數位內容科技學系碩士論文「應用 KINECT 體感技術輔助國小健身操學習系統設計架構」（鄭博旗、王曉璿，2013）結合 Kinect 體感裝置設計發展一套輔助國小 4 至 6 年級新式健身操的學習系統，此一系統畫面如圖 2-4-1 所示。系統測試與評估所得主要結果如下：一、系統評分與教師評分呈正相關，顯示系統的評分機制是有效的。二、使用此系統確實能提升學童的健身操學習動機。三、大部分學童在系統介面給予正面肯定，並認為系統新奇有趣，其回饋機制激勵了他們的學習。. 圖 2-4-1 Kinect 體感技術輔助國小健身操學習系統（資料來源：鄭博旗、王曉璿，2013）高雄師範大學工業科技教育學系碩士論文「Kinect for XBOX 360 運用於國中輔助舞蹈教學之研究-以《Dance Central™ 2》為例」（黃炳泰、江文鉅，2012）探討使用 Kinect 結合「舞蹈遊戲」來引導表演藝術舞蹈課程教學的可行性，並且討論了可能的運用方式以及教學引導的過程。此一系統的部分畫面如圖 2-4-2 所示。在此一研究中，黃炳泰和江文鉅透過其所設計出的「舞蹈遊戲融入國中表演藝術舞蹈課程教案」，針對國中一年級班級進行為期六週的研究。根據其研究結果，顯示使用 Kinect 以遊戲方式融入表演藝術舞蹈教學，可以提昇學生學習舞蹈動機以及肢體運用的技能表現，進而增加學生的自信心。此一研究進一步的成果則是希望在給予學生舞蹈的基本動作引導之後，學生能發想並實行出創造性的舞蹈動作，其研究結果也顯示可以達到此一目標。. 24.

(36) 圖 2-4-2 Kinect for XBOX 360 運用於國中輔助舞蹈教學（資料來源：黃炳泰、江文鉅，2012）蘇煌仁（2012）運用視覺化 Scratch 軟體，加上 Kinect 體感裝置製作教學輔助教材，針對國小學童較難理解的單元如「天氣衛星雲圖」、「影響台灣的鋒面」等，以情境學習配合體感式教學幫助學生合作學習。研究結果顯示國小學童在學習與操作上非常積極踴躍，可以有效提升學生課程學習的興趣。受測學生普遍認為此一系統對於學習有很大的幫助，同學間也可以互相提供協助。此一研究並且提供了一些體感互動教學活動建議：運用體感互動系統於教學活動時，需要兼顧教學內容須符合教學目標，並且操控體感設備需依照有意義的操控為取向，以免不相干的資訊干擾學習，或發生操作倦怠。謝佩涓（2013）針對三位國中特教班智能障礙學生，研究其透過 Kinect 體感遊戲機練習節奏律動休閒技能之學習成效。此一研究透過工作分析法評量受試學生的三個目標行為：雙腳左右踏併步、手舉高向前搖動、左手向下左右擺動。研究設計在三個時間點進行評量：介入期、維持期、課程結束後。研究結果顯示，在介入期，三位受試學生的三個目標行為都獲得顯著進步，達成率通過標準且達到趨勢穩定的狀況，在維持期中亦能持續表現，在課程結束時，三位受試學生出現了主動表達參與意願及輪替行為。顯示 Kinect 教學方案對智能障礙學生在休閒節奏律動技能具有立即與維持成效，並且能夠吸引學生興趣，進而提升休閒能力。受試學生家長對於研究結果亦表達支持與肯定的態度。黃育琪（2014）透過 Kinect 體感控制器，針對 8 位中度智能障礙者進行為期 19 次的實驗，探討體感設備是否能提升中度智能障礙者對舞蹈的學習動機以及肢體動作。其研究結果顯示使用 Kinect 體感控制器介入的舞蹈學習可提升受測 25.

(37) 者舞蹈動作的純熟度、增加學習動機，並且能夠提升教保老師在舞蹈教學上的專業技巧。紀丞弘（2015）使用 Kinect 建立一套協助教師以 PPT 進行教學活動的教學輔助系統，此一系統讓教師可以用體感的方式，用手勢在空間中直接任意塗鴉或是書寫文字，並且具有讓教師標示重點、載入圖片、存檔以及清除畫面等功能。此一系統是利用 Kinect 的彩色影像以及深度資訊結合骨架追蹤功能，將教師之手掌節點的三維座標轉換至螢幕上之二維座標，讓其作用到 PPT 投影片，並且運用影像處理技巧來提昇輔助教學之功能，以利於進行教學活動。邱玉鈴（2016）針對四名國小集中式特教班學生，研究這四位學生經過「Kinect 體感購物遊戲」教學後的購物技能，是否具有立即效果、維持效果與類化效果。研究結果顯示：「Kinect 體感購物遊戲」對受測學生之購物技能具有立即成效、維持成效與類化成效。除此之外，此一體感購物遊戲並且能促進受測學生之學習動機，受測對象之家長與個管老師對於此一體感購物遊戲的教學成效也都感到滿意。歐杏茹（2016）利用 Kinect 發展運動訓練平台，建立一套互動式虛擬實境骨盆歪斜運動矯正系統，進行運動教學。其所設計的運動系統針對身體核心肌群作為主要的動作訓練目標。核心肌群是指位於人體軀幹中段的肌肉群，主要功能為保護和維持脊椎的穩定。此一系統包含運動模式設計情境模擬，可以跟使用者進行虛擬互動式的教學訓練。研究顯示，在訓練過程中，此一系統可以提高使用者的參與動機、增強使用者在運動時的愉悅度，進而提升使用者持續使用此一運動矯正系統的動力。蔣仁烽（2016）設計一個基於 Kinect，整合體感技術和語音辨識技術的輔助學習以及輔助教學系統。如同紀丞弘（2015）利用 Kinect 所建立的教學輔助系統，這兩個系統都可以應用於 PowerPoint 簡報，也都是以手部運動來控制簡報操作。除此之外，此一系統增加了語音辨識的功能，由於使用了語音辨識技術，此一系統的大部分功能都可以利用聲音來控制，並且使用者可以利用自己建立的單字來進行語音辨識。. 26.

(38) 第五節. 使用圖形符號的人體動作視覺設計探討. 人們在進行相互溝通的過程中，由於語言及文化生活方式的不同，簡化及具有象徵性的圖形符號，被視為是最重要的視覺傳達表現之一（康台生、呂靜修， 2008）。圖形符號又稱之為象形符號，是指用圖像的方式直接表達某一種行為動作或是某件事物或意義。因為象形符號具有造型自然、形式直觀的特性，在語言不通的情況之下，經常被用來扮演溝通的角色（胡易容、趙毅衡，2014）。圖形符號是指透過對於資訊以及知識的優化，將其轉化為圖像，用以傳遞思想與訊息的視覺設計。不使用文字，以圖案表達某一種物體或是某一行為動作的概念的好處，在於讓觀看者不需要事先學習特殊符號所代表的意義，就可以透過此一圖案，直覺性地了解此一圖案所要傳達的訊息。在日常生活中，圖形符號經常被用在各種公共空間以及場所如廁所、機場、捷運站、火車站、醫院等地的設施標誌或指示，以方便各國旅客了解設施以及指示牌的內容。 AIGA 符號是由美國交通部（DoT, Department of Transportation）於 1974 年委託美國設計師學會（AIGA, American Institute of Graphic Arts）共同制定的一套有意義性、統一性、實用性，並且能夠獲得國際認同與通用的圖像符號。設計完成後公開其版權，使之成為全世界各地皆可自由使用的標誌（林品章，2007），表 2-5-1 呈現一部分的 AIGA 符號。在 AIGA 符號中，除了依據日常生活中的物件來設計識別圖形之外，也適當地加入了一些箭頭符號作為方向指示之用，例如「手扶梯-上行」以及「手扶梯-下行」符號。另外也有加入問號等標點符號，如「失物招領」符號。由 AIGA 符號中可以看出，一般民眾還是需要對目前的生活型態有基本認知，才能夠理解這些符號所代表的意義。例如，想像一個摩登原始人來到了現代社會，在經過基本的教育與學習的過程之前，他必然無法理解大部分符號所代表的涵義。但是對於一個現代人而言，由於他日常生活中就充斥了這些符號所代表的物件，所以即使看到之前沒有看過的符號，也能依據直想法，理解出符號所代表的意義。. 27.

(39) 表 2-5-1 AIGA 設計的標誌符號圖形符號. 圖形符號（反白）. 代表涵義. 英文. 電話. Telephone. 郵件. Mail. 急救站. First Aid. 失物招領. Lost and Found. 手扶梯. Escalator. 手扶梯 – 下行. Escalator – Down. 手扶梯 – 上行. Escalator – Up. 樓梯. Stairs. 電梯. Elevator. 男廁. Toilets – Men. 女廁. Toilets – Women. 廁所. Toilets. 飲水處. Drinking Fountain. 詢問處. Information. 計程車. Taxi. 公車. Bus. 鐵路運輸. Rail Transportation. 航空運輸. Air Transportation. 餐廳. Restaurant. 禁止抽菸. No Smoking. 禁止停車. No Parking. 禁止進入. No Entry. （資料來源：AIGA Symbol Signs） 28.

(40) 一組設計良好的圖形符號可以明確的表現事物的特徵或表達概念的含意，不需要事先教育、學習、定義或是解釋，讓人以直觀的方式了解圖形符號所要傳達的內容。在本研究當中，我們試圖使用圖形符號來表達出人體運動的各種姿勢。而歷屆奧運會所設計的運動圖形，正是使用圖形符號來傳達各種運動項目的意念，因此有必要深入的加以研究探討。一、1936 年柏林夏季奧運會圖形符號在歷屆奧運會的歷史中，1936 年柏林夏季奧運會首次設計象徵性圖案來表示各項運動，被視為一個前所未有的創舉（Abdullah, R., & Hubner, R., 2006）。 1936 年柏林夏季奧運會所設計的圖形符號如圖 2-5-1 所示。此一設計中，各項運動圖形符號的共同點是每一個圖形的背景都有一個粗圓環，除了手球運動（Handball）是以一隻手拍擊球來表示之外，其他各項運動是以運動器材或設備來表示出該運動，而不是以人體動作來表達。. 圖 2-5-1 1936 年柏林夏季奧運會所設計的圖形符號（資料來源：Olympic Games Museum: Olympic Games 1936 Berlin/Pictograms） 29.

(41) 二、1964 年東京夏季奧運會圖形符號 1964 年在東京舉辦的夏季奧運會，由日本設計師龜倉雄策（Yusaku Kamekura）所設計出的運動圖形符號，是奧運歷史中首度採用人體運動的動作來代表各項運動項目，圖 2-5-2 顯示這一組圖形符號。此一圖形符號設計被認為是奧運會史上最經典的圖像設計，而且至今的奧運運動圖形符號都受其影響。自從 1964 年東京奧運會首次推出運動圖形符號以來，運動圖形符號便成為奧運主辦單位設計計劃的一部分。藉由風格化的人物圖像設計，可以輕鬆地將信息傳達給不同語言和文化背景的參觀者和參與者。. 圖 2-5-2 1964 年東京夏季奧運會所設計的圖形符號（資料來源：Olympic Games Museum: Olympic Games 1964 Tokyo/Pictograms）三、1984 年洛杉磯夏季奧運會圖形符號 1984 年洛杉磯夏季奧運審查委員會為其所設計的運動圖形符號建立了六項準則： (一) 清晰的溝通：圖形符號本身應該是可由其他國家的人民識別的。. 30.

(42) (二) 一致性：圖形符號應該可識別為一組統一的處理規模，風格和主題。 (三) 易讀性和實用性：圖形符號應該是高度可見的，容易以任何規模大小、正面或反白形式複製。 (四) 靈活性：圖形符號不應該依賴於邊界和應該以正面或反白的方式呈現。 (五) 設計上的區別：圖形符號應該避免風格流行或商業外觀，並應該暗示全球觀眾洛杉磯擁有先進的創意文化。 (六) 兼容性：與洛杉磯奧運的其他設計元素和類型一起使用時應該具備吸引力。因為奧運競賽會在洛杉磯地區的各個地點舉行，因此，一開始這組圖形符號的設計目標是必須達到清楚指示競賽場地的目的，並且需要具備高能見度。出乎預料之外，在奧運會期間，這組圖形符號主要作用卻發揮在裝飾上，並獲得廣泛好評。在創建這組新的圖形符號時，設計團隊嘗試將圖形和圖像與數字相結合，並且加入代表方向與速度的線條。但得出的結論卻是，部分設計出來的數字和現實數字難以辨認，與數字相關的移動使得畫面顯得忙碌而壞了易讀性。最後，決定設計一組由 10 個基本身體部位組成的簡單圖形：頭部圓形，軀幹橢圓形和八個代表手部和腿部的簡單部分。這種模組化的圖形放置在網格圖案上時，可以在任何需要的位置重新創建，有效地描繪任何奧運賽事。，這一組圖形符號如圖 25-3 所示。. 圖 2-5-3 1984 年洛杉磯夏季奧運所使用的圖形符號（資料來源：Olympic Games Museum: Olympic Games 1984 Los Angeles/Pictograms）. 31.

(43) 四、2000 年雪梨夏季奧運會圖形符號 2000 年雪梨夏季奧運會所設計的運動圖形符號如圖 2-5-4 所示，設計理念使用象徵澳大利亞土著文化的回力鏢剪影圖形以及傳統的狩獵工具，搭配各項運動器材特徵描寫，來表現出兩腿和兩手的動作，其目的是表現動態召回的速度感和運動員的敏捷性。. 圖 2-5-4 2000 年雪梨夏季奧運所使用的圖形符號（資料來源：Olympic Games Museum: Olympic Games 2000 Sydney/Pictograms）. 五、2008 年北京夏季奧運會圖形符號 2008 年北京夏季奧運各類運動圖形符號如圖 2-5-5 所示，設計的主要概念是參考中國古代書法的字符作為基本結構，以傳統印章作為主體表現形式。這一組運動圖形符號表現出“篆書之美”的書法風格，融合中國古代甲骨文、金文等文字的象形意趣和現代圖形簡化特性，符合各項運動特徵，讓象形圖達到易識別、易記憶、易使用的要求。強烈的黑白對比效果，將傳統文字藝術運用於現代和簡化的風格，優雅的運動美感和豐富的文化內涵，以獨特表現力和運動張力傳達中國書畫藝術傳統文化形式風格。這一組名為“印章人物之美”的圖形符號，將古代中 32.

(44) 國骨具和青銅器的銘文與現代圖形藝術的簡化實例相結合，使其易於辨認。筆劃的象徵魅力和黑白兩色之間的鮮明對比帶來了對運動員運動的優美審美感和強烈的生命力和活力。. 圖 2-5-5 2008 年北京夏季奧運所使用的圖形符號（資料來源：Olympic Games Museum: Olympic Games 2008 Beijing /Pictograms）六、2016 年里約夏季奧運會圖形符號 2016 年里約夏季奧運各類運動圖形符號如圖 2-5-6 所示。在設計上，這一組圖形符號用流動性線人型構成，以人為主體的設計。框架以鵝卵石形狀強化視覺語言的特性，運動員的身體和體育設備是以剪影為主，研究每一種運動後，模擬運動員不同運動動作的移動，第一個輪廓是由手工以連續線描繪運動器材，變化線條厚度曲線為輔助，適用於輪廓流線和強化運動員動態。 33.

(45) 圖 2-5-6 2016 年里約熱內盧夏季奧運所使用的圖形符號（資料來源：Olympic Games Museum: Olympic Games 2016 Rio de Janeiro /Pictograms）各屆奧運會運動象形圖大致上都是配合會徽標誌設計，具有舉辦國的傳統文化、色彩等構成元素視覺設計融合。跨越國際文化的「圖像文字」發揮視覺語言的效用，是破除語言隔閡、產生深刻體驗的最佳溝通模式。在本創作研究中，我們將藉由微軟公司生產的 Kinect V2 來擷取使用者的動作資訊，將使用者動作的三維資訊透過程式轉換為相對應的圖形符號，顯現於螢幕之上。在本創作研究中所要表現的圖形符號以人體動作為主，研究目的之一為設計能夠自動轉換實際人體動作成為圖形符號的系統。由於歷屆奧運會所設計的運動圖形，正是使用圖形符號來表達各種運動項目的人體動作，符合本研究中使 34.