運用點矩陣全像片呈現擴增實境之研究

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(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 運用點矩陣全像片呈現擴增實境之研究 Augmented Reality on a Dot Matrix Hologram. 研究生：徐仲萱指導教授：王希俊博士中華民國一○三年六月.

(2) 中文摘要擴增實境辨識圖案（AR Marker）大多以正方形的黑框呈現，有助於影像辨識以產生虛擬物件（Virtual Object），但辨識圖案本身並非給人眼觀看，且影響了設計的美感。因此，本研究的目的為將具有變圖功能之點矩陣全像片與擴增實境辨識圖案結合，在正常觀看角度下顯示有意義之圖案，而在特定角度觀看則會顯現擴增實境辨識圖案並帶出擴增實境功能。此點矩陣全像片之設計，需在全像影像的彩色索引檔與灰階檔建立後，輸出不同角度及間距之光柵點，讓點矩陣全像片產生變圖的效果。結果發現，使用點矩陣全像片能夠成功觸發擴增實境效果，透過變圖功能可於同一張全像片上帶出不同的虛擬物件。另外，本研究也針對傳統的擴增實境辨識圖案與點矩陣全像片的擴增實境辨識圖案進行測試，將攝影機設置於不同的角度及不同的距離，比較兩者在何種條件下能成功地帶出擴增實境。最後，根據問卷調查的結果，發現相較於傳統的擴增實境辨識圖案，大部分的使用者較喜歡全像片的擴增實境辨識圖案。本研究成功的將點矩陣全像片與擴增實境結合，此項技術為世界首創，並且在未來更具備了發展的潛力。. 關鍵字: 擴增實境、全像術、光柵. i.

(3) Abstract Augmented Reality (AR) marker helps pattern recognition and generates virtual objects, but it always be presented by a black square and hinders the aesthetics of overall design. The objective of this proposal is to integrate AR and the image-switching function of dot matrix hologram, which makes the marker invisible under a meaningful cover image from the normal observation angle. The AR marker can be detected from a specific angle. To design the dot matrix hologram, color index image and grayscale image are used to output the grating spots with different pitches and orientations on the photoresist, which lets the dot matrix hologram possesses the image switching function. In addition, this research makes compare between hologram’s marker and visual marker, to analyze in which the condition can be satisfied to bring out the AR virtual object when camera detects from the different angle or different distance. The result shows the AR effect can be triggered successfully by using the dot matrix hologram, and, the same hologram also brings the distinct virtual object when image-switching effect is in implementation. Besides, this research compares the traditional AR marker and the holographic AR marker in different angles and distances of camera, to detect the conditions which AR effect can be correctly presented. Eventually, the data of questionnaire indicates that most of the users prefer the holographic AR marker. This research combines dot matrix hologram and AR, which is the world’s first and has many potential applications in the future.. Keywords: AR marker, holography, grating. ii.

(4) 目錄中文摘要 .....................................................................................................................................i Abstract ......................................................................................................................................ii 目錄 ........................................................................................................................................... iii 表目錄 ........................................................................................................................................ v 圖目錄 ....................................................................................................................................... vi 第一章緒論 ............................................................................................................................. 1 第一節研究背景與動機 ..................................................................................................... 1 第二節研究目的 ................................................................................................................. 2 第三節研究問題 ................................................................................................................. 3 第四節名詞釋義 ................................................................................................................. 3 第二章文獻探討 ..................................................................................................................... 5 第一節全像術的原理與發展 ............................................................................................. 5 第二節擴增實境之相關研究 ........................................................................................... 15 第三節文獻小結 ............................................................................................................... 28 第三章研究設計 ................................................................................................................... 29 第一節研究流程 ............................................................................................................... 29 第二節研究設備及工具 ................................................................................................... 31 第三節點矩陣全像片的製作 ........................................................................................... 33 第四節擴增實境全像片的設計與虛擬物件的選擇 ....................................................... 37 第五節以 Matlab 開發的設計工具整合全像檔案.......................................................... 40 第六節擴增實境偵測環境設定 ....................................................................................... 46 第七節問卷實施 ............................................................................................................... 50 第四章研究結果與討論 ....................................................................................................... 52 第一節全像球員卡設計 ................................................................................................... 52. iii.

(5) 第二節研究成果 ............................................................................................................... 54 第三節問卷結果分析 ....................................................................................................... 59 第五章結論與建議 ............................................................................................................... 63 第一節研究結論 ............................................................................................................... 63 第二節研究建議 ............................................................................................................... 65 參考文獻 ................................................................................................................................. 66. iv.

(6) 表目錄表 3-1 研究設備及工具...........................................................................................................31 表 3-2 施測問卷.......................................................................................................................51 表4-1 問卷填答狀況表... .......................................................................................................60 表4-2 問卷填答數據之平均數與標準差...............................................................................61. v.

(7) 圖目錄圖 2-1 利用干涉現象記錄物體影像示意圖.............................................................................5 圖 2-2 離軸全像片原理示意圖.................................................................................................6 圖 2-3 全像片的景深效果.........................................................................................................7 圖 2-4 夏娃克隆系列.................................................................................................................8 圖 2-5 全像裝置藝術─太陽神的贈與.....................................................................................9 圖 2-6 一般光柵結構產生繞射現象之示意圖………....……………………………..…….10 圖 2-7 光線經由點矩陣全像片產生的繞射現象概念圖.......................................................11 圖 2-8 不同入射光角度下，全像片的光影變化效果示圖.....................................................12 圖 2-9 光柵點結構示意圖.......................................................................................................12 圖 2-10 點矩陣全像片之微結構示意圖.................................................................................13 圖 2-11 運用點矩陣全像片之變圖功能呈現圖文與二維條碼.............................................14 圖 2-12 擴增實境示意圖.........................................................................................................15 圖 2-13 虛實結合的混合實境.................................................................................................16 圖 2-14 MagicBook 的使用......................................................................................................17 圖 2-15 擴增實境應用於維修裝置.........................................................................................17 圖 2-16 以擴增實境模擬人體構造.........................................................................................18 圖 2-17 以螺旋模型強化學習成效.........................................................................................19 圖 2-18 以智慧型手機呈現擴增實境廣告.............................................................................20 圖 2-19 智慧型手機結合擴增實境的互動遊戲.....................................................................20 圖 2-20 Magic Cards................................................................................................................21 圖 2-21 Magic Cards 與虛擬物件...........................................................................................21 圖 2-22 利用手指作為擴增實境辨識特徵.............................................................................22 圖 2-23 擴增實境循環資料庫示意圖.....................................................................................23 圖 2-24 以 RFID 進行影像擴增系統示意圖..........................................................................24 圖 2-25 以半色調技術製作擴增實境辨識圖案.....................................................................25 圖 2-26 紅外線擴增實境辨識圖案的顯像方法.....................................................................26 圖 2-27 使用者配戴 HMD 與虛擬物件互動..........................................................................27 圖 3-1 研究流程圖...................................................................................................................30 圖 3-2 盧彥勳卡通版經典動作影像…………………………………………………………32 圖 3-3 全像片之 (a)彩色索引檔 (b)灰階檔.........................................................................33 圖 3-4 點矩陣全像片的色彩組成...........................................................................................34 圖 3-5 光柵角度與灰階值關係之示意圖...............................................................................34 vi.

(8) 圖 3-6 點矩陣全像片成像示意圖...........................................................................................35 圖 3-7 全像製版機 (a)點矩陣全像設備 (b)系統介面.........................................................36 圖 3-8 點矩陣全像系統架構圖...............................................................................................36 圖 3-9 盧彥勳晉級溫布頓八強影片.......................................................................................37 圖 3-10 (a)盧彥勳親吻手指 (b)盧彥勳向天致敬..................................................................37 圖 3-11 (a)Marker 師大 (b)Marker LU................................................................................38 圖 3-12 師大校園景觀雕塑─「師大，大獅」........................................................................38 圖 3-13 「Marker 師大」對應「3D 大獅」...........................................................................39 圖 3-14 「Marker LU」對應「3D 盧彥勳」.........................................................................39 圖 3-15 全像片設計彩色與灰階圖檔對應自動糾錯次模組效果示意圖.............................41 圖 3-16 變圖流程圖.................................................................................................................42 圖 3-17 四張影像之變圖效果示意圖.....................................................................................43 圖 3-18 灰階值設定結果圖.....................................................................................................44 圖 3-19 使用變圖次模組之效果示意圖.................................................................................44 圖 3-20 全像片光影效果預覽模組之 36 張觀看角度模擬圖................................................45 圖 3-21 擴增實境全像片實際輸出後的影像.........................................................................46 圖 3-22 盧彥勳全像球員卡模擬圖.........................................................................................47 圖 3-23 (a)傳統可見 marker (b)全像 marker.........................................................................48 圖 3-24 實驗環境示意圖.........................................................................................................49 圖 4-1 全像球員卡...................................................................................................................53 圖 4-2 以點矩陣全像片追蹤擴增實境效果...........................................................................54 圖 4-3 傳統「Marker 師大」的擴增實境偵測結果............................................................56 圖 4-4 全像「Marker 師大」的擴增實境偵測結果............................................................56 圖 4-5 傳統「Marker LU」的擴增實境偵測效果...............................................................57 圖 4-6 全像「Marker LU」的擴增實境偵測效果..............................................................57 圖4-7 使用者評價分數圖.......................................................................................................62. vii.

(9) 第一章緒論本章緒論將分為以下四個部份，並按節次順序逐一呈現：第一節為研究背景與動機；第二節為研究目的；第三節為研究問題；第四節為名詞釋義。. 第一節研究背景與動機隨著資訊科技的進步，許多倚賴電腦高運算能力的技術現已逐漸普及，擴增實境（Augmented Reality, AR）即為一顯著的代表。AR 是一種將虛擬物件添加到真實場景之中，能強化使用者感官感受的技術，使用者藉由虛擬物件的操作，能與真實環境產生更多的互動，為生活增添許多樂趣，簡單地說，AR 即是將虛實整合，讓使用者能有更豐富感官經驗的一項技術。此外，AR 的應用層面相當廣泛，在技術支援、工業設計、建築、醫療、娛樂，甚至於藝術表現上，皆大大地展現了 AR 的實用性，並逐漸改變人類對電腦介面的使用習慣，從此更能融入人們的生活之中。. AR 的執行，需在機器終端處建立資料庫，將欲展示的虛擬物件置入於資料庫中，後透過軟體的操作，設置能與虛擬物件相互對應的辨識場景（Scene Recognition），再經由偵測系統（Tracking System）辨認此辨識場景，即能在終端上將虛擬物件呈現於真實環境之中，進而達到擴增實境的目的。而為了使機器有較好的偵測效果，通常需要設計擴增實境辨識圖案（AR Marker），使鏡頭能夠有準確的辨識基點。然而，辨識圖案本非設計給人眼欣賞，並且對於人眼視覺不具任何意義，不僅造成了視覺的干擾（Visual Intrusive），更破壞了整體設計的美感。因此，如何將辨識圖案隱藏，甚至是以具有意義的影像將其結合，即成為了本文的研究方向。. 1.

(10) 將辨識圖案隱藏於特定的角度，在一般人眼的觀察下不易被察覺，取而代之的是有意義的影像，而在偏折的角度下，辨識圖案才會顯現，欲實現此目標，點矩陣全像片（Dot Matrix Hologram）為相當合適的工具。藉由點光源（Point Light Source）照射點矩陣全像片，使用者即能在不同的觀察角度中看到不同的全像影像，此技術稱之為變圖功能（Image-switching Effect），此功能也非常符合本研究的目的，運用點矩陣全像片，不僅能以具動態的全像影像訴說故事，更能將辨識圖案隱藏，於特定的角度下才顯現並供機器偵測，進而呈現擴增實境之效果（Hsu & Wang, 2013）。因此，運用點矩陣全像片結合擴增實境辨識圖案，並正確呈現擴增實境之效果，即為本研究希望達成的主要目標，此創新技術在過去從未有研究者將其實現過。. 此外，本研究將比較傳統的辨識圖案與全像片的辨識圖案，並分析 AR 系統在追蹤這二個辨識圖案時，其最理想的偵測條件。接著以視覺表現、偵測條件、及使用者偏好，此三方面為主要評量依據來設計問卷，調查使用者對於擴增實境全像片的評價。最後根據問卷調查得到的數據資料，以及擴增實境全像片的加值應用，做進一步的討論，為潛在的使用者提供更多的參考依據，並能更深入的瞭解此技術。. 第二節研究目的本研究的主要目的為隱藏擴增實境辨識圖案於具有意義的全像片中，並讓 AR 系統能於特定角度下偵測到此辨識圖案，正確的將虛擬物件呈現於全像片上，最後並將此全像片輸出為產品。此外，本研究也將量測機器在偵測全像片上的辨識圖案時，最易成功觸發擴增實境虛擬物件的條件；同時以使用者的角度切入，透過問卷比較傳統辨識圖案與全像片辨識圖案。因此，本研究可將目的分為下列四項： 2.

(11) （一）設計具內容並結合擴增實境辨識圖案之點矩陣全像片。（二）使此點矩陣全像片呈現擴增實境的效果。（三）評估此點矩陣全像片帶出擴增實境的觀測條件。（四）以問卷調查使用者對此點矩陣全像片的評價。. 第三節研究問題根據以上的研究目的，將研究問題歸納如下列幾項：. （一）如何結合創意內容與辨識圖案於此點矩陣全像片中？（二）如何製作可被機器正確偵測到的辨識圖案於點矩陣全像片中？（三）在何種距離、角度內，攝影鏡頭最能成功觸動擴增實境效果？（四）使用者對此點矩陣全像片的評價為何？. 第四節名詞釋義（一）點矩陣全像片（Dot Matrix Hologram）點矩陣全像片是藉由控制光柵點大小（Grating Spot Size）、光柵角度（Grating Orientation）與光柵間距（Grating Pitch）所形成的全像影像，可呈現 3D、變圖、流動等效果，且可透過製版和壓印的製程大量複製，現多應用於品牌辨識以及防偽包裝上，大幅強化了品牌保護的功能（van Renesse, 2005）。. （二）擴增實境（Augmented Reality） Azuma （1997）曾為「擴增實境」提出定義，他在研究中指出，擴增實境是一種虛擬實境的變化，並有三項必需的屬性： 1.真實與虛擬在同一空間介面結合。 3.

(12) 2.為即時性的互動。 3.具有空間性（必須在三度空間內呈現）。. 4.

(13) 第二章文獻探討本研究主要應用點矩陣全像片為載體，透過其變圖功能將擴增實境辨識圖案隱藏於其中，茲將文獻探討分類為下列三節：第一節，全像術的原理與發展，第二節，擴增實境之相關研究，最後，將資料整理歸納成為本研究的理論根據，作為第三節文獻探討小結。. 第一節全像術的原理與發展一、全像術之起源全像術（Holography）起源於 1948 年，當時由英籍匈牙利物理學家 Gabor 在《Nature》雜誌上發表的短篇文章《A new microscopic principle》中，率先提出了全像的概念。他發明的電子顯微鏡，採取了干涉（Interference）的方式，利用一道較規則的基本電磁光記錄另外一條含有物體成像的次要電磁光，改善了電子顯微鏡取像解析度不足的問題（Gabor, 1948），如圖 2-1 所示。Gabor 所提出的技術，即為波前重建術（Wavefront Reconstruction），在光源強度不足且無法達到同調性的當時，普遍被認為是不成熟且不實用的，因此這篇文章發表後並沒有激起太多讀者的共鳴（Johnston, 2005）。. 圖 2-1 利用干涉現象記錄物體影像示意圖資料來源：Gabor (1948) 5.

(14) 直到 1960 年代，雷射光的發明提供人類一種能量集中且同調性的光源，才使得全像技術有突破性的發展。1962 年，Denisyuk 提出了拍攝反射式全像片的技術，他利用折射率的改變來記錄干涉條紋資訊，因此對重建光入射角度與波長皆有較高之選擇，可利用白光來重建全像影像。此法與穿透式全像片最大的差別，在於穿透式全像片的物光及參考光是在同一側，因此當影像重建的時候，觀察者必須在參考光穿透全像片的另一側觀察重建的虛像，但反射式全像片由於物光及參考光是由不同的兩側照射至感光底片，在影像重建時，觀察者必須與原物光在同一側觀察（Maripov & Shamshiev, 1999）。. 密西根大學的 Leith 和 Upatnieks （1964）也開始針對波前重建術的應用發表了一系列的文章，進而發明了穿透式的離軸全像片（Off-axis Hologram），改善了傳統同軸全像片（On-axis Hologram）易受到直流光重疊以及共軛虛像之影響，造成影像重建效果較差的問題。其方法為在參考光的路徑之中，設置可改變光線路徑的鏡面，使參考光束具有更強的集中力，解決了光線四散的問題（圖 2-2），此方法也提供了更高品質的影像紀錄方式。. 圖 2-2 離軸全像片原理示意圖資料來源：Leith & Upatnieks (1964) 6.

(15) 隨著全像科技的快速進步，越來越多研究者投入此領域，為全像術開創了更多的可能性，而 Gabor 也在 1971 年以全像術為基礎獲頒諾貝爾物理獎。在 1970 至 1980 年間，全像術不僅應用於大量的科幻電影中，更成為了日常生活中不可缺少的一部份，如信用卡即使用壓印式全像片作為卡片外圍的包覆層、博物館採用全像術建構物件的比例也持續上升。圖 2-3 為現今的全像片印製技術，其畫面可呈現絕佳的景深效果，全像術儼然已成為視覺傳達的重要呈現方法之一（Bove, 2012）。. 圖 2-3 全像片的景深效果資料來源：http://www.zebraimaging.com/markets/AEC/. 現今，全像術更跨足了藝術的領域。Turner （2012）指出藝術作品「夏娃克隆系列」運用全像的技術，使作品的呈現能有高度的連續性，更能讓觀者與作品間產生最直接的互動，夏娃克隆的作品如圖 2-4 所示。Ishii （2006）也以全像主題為媒材，設計了一系列空間裝置及環境藝術的作品，如圖 2-5，這項全像 7.

(16) 裝置可根據陽光的入射角度及天氣情況呈現出不同的七彩變化。另外，全像術甚至被應用在指紋的建構上，因此對於社會安全也有所貢獻（Luo, Wang, Wang, Cui & Zhang, 2011）。. 圖 2-4 夏娃克隆系列資料來源：林珮淳作品 (2010). 8.

(17) 圖 2-5 全像裝置藝術─太陽神的贈與資料來源：Ishii (2006). 全像術根據光線路徑與拍攝方式，現今可大致分類為同軸式全像術、離軸式全像術、穿透式全像術（Transmission Holography）、反射式全像術（Reflection Holography）、彩虹全像術（Rainbow Holography）及壓印式全像片（Hologram Embossing）、電腦全像片（Computer Generated Holograms, CGHs）（Lohmann & Paris, 1967）、數位全像術（Digital Holography）及點矩陣全像片。. 二、點矩陣全像片點矩陣全像片的概念由 Davis 所提出，其影像的產生是透過許多具有干涉條紋的光柵小點顯影於底片或是光阻片上（Davis, 1993）。而這些光柵點是利用兩個雷射光干涉記錄而產生，稱之為「光柵像素點」，透過改變相交雷射光的角度和方位可以改變干涉圖形的顏色與干涉光發出的方向，也就是說每個光柵點實際上是由不同間距及方向的干涉條紋所組成。與傳統的全像術相比，全像術無法呈現真正的色彩效果，而點矩陣全像片卻能有效的控制色彩的表現，設計出在特定角度看到固定顏色的影像（陳怡惠，2008）。 9.

(18) 圖 2-6 為一般光柵結構繞射的原理。其中，p 為光柵間距、m 為整數、λ 則為繞射光之波長。當入射光輸入至光柵結構時，可能會產生兩種情況：第一，入射光直接穿透光柵結構，即形成第零階穿透（m = 0）；第二，入射光與光柵結構形成一夾角，造成第一階繞射（m = +1），其中 v 為光線輸入至光柵結構的垂直角度、w 為光線受到光柵結構影響產生繞射的垂直角度，而繞射光與光柵結構之夾角則為. 。以上說明可由方程式（2-1）表示： p （sin. ） = m λ. + sin. （2-1）. 圖 2-6 一般光柵結構產生繞射現象之示意圖資料來源：van Renesse (2005). 而根據上述所介紹之一般光柵結構繞射原理，接著說明本研究所使用之點矩陣全像片的光柵結構繞射原理。圖 2-7 為入射光經過光柵結構產生繞射效果的示 10.

(19) 意圖，此原理可由繞射現象的方程式（2-2）來解釋。. d sin α = n λ. （2-2）. 在此方程式中，d 為光柵間距、α 為入射光輸入至全像片的角度，本文設定為 30 度、n 為整數、λ 為入射光的波長。點矩陣全像製版機會以入射角度 30 度進行雷射光的干涉，並根據彩色索引檔的色彩資訊，輸出為具有不同光柵間距的光柵像素點，當觀測者從垂直的角度觀察全像片時，即可看到光柵間距與反射光波長相符的顏色。與一般光柵結構的不同之處，在於光線可穿透一般的光柵，點矩陣全像片的結構則無法穿透，而是將光線全部繞射回來並形成不同的波長，因此，全像片能產生虹彩般的特性。換言之，將單一光源從固定的角度輸入全像結構中，光源即會接觸到一組具有光柵間距及光柵角度的干涉條紋，而使光源繞射至某方向；同理，若將輸入的光源轉換為不同的角度，則光源會接觸到另一組不同光柵間距及光柵角度的干涉條紋，而使光源繞射至另一個方向，最後就能產生七彩變幻的現象（圖 2-8）（楊博文，2005）。. 圖 2-7 光線經由點矩陣全像片產生的繞射現象示意圖資料來源：傅如尉繪製 11.

(20) 圖 2-8 不同入射光角度下，全像片的光影變化效果示意圖資料來源：傅如尉拍攝. 點矩陣全像片是由光柵點所構成，而每一個光柵點皆具備干涉條紋，形成不同間距及不同角度的光柵結構。要得到一個具備光影變化的全像片，就必須控制光柵點大小（Spot Size）、光柵間距（Grating Pitch）、及光柵角度（Grating Orientation），如圖 2-9。. 圖 2-9 光柵點結構示意圖資料來源：研究者繪製. 根據圖 2-9，此三項特色主要的功能如下：（一）光柵點大小：用來控制全像片實際輸出的解析度。（二）光柵點間距：可將光線繞射至不同的方向，用以控制全像 12.

(21) 片色彩的變化。（三）光柵點角度：用來控制全像片的觀察角度。. 由此可見，全像片的結構非常特殊，與一般的平面印刷品並不相同，圖 2-10 為實際輸出的全像片結構圖。圖 2-10 （a）為實際輸出的全像片；圖 2-9 （b）為全像片局部顯微放大後可看到的結構；圖 2-10 （c）為再次放大的微結構圖，可清楚的看到干涉條紋於每一個光柵點上（van Renesse, 2004）。也由於利用了電鍍金屬或光阻片，使其表面具備凹凸的紋路來產生光柵繞射的效果，因此點矩陣全像片能透過壓印的方式複製，可進行大規模的生產。. 圖 2-10 點矩陣全像片之微結構示意圖（a）點矩陣全像片（b）局部顯微放大（c）光柵像素點 (van Renesse, 2004) 資料來源：研究者拍攝. 點矩陣全像片的使用逐漸普及之後，也激起了學者們對此新科技的研究興趣，並嘗試開發最新的應用。Wang 和 Yang （2006）即利用入射光與點矩陣全像片的變圖關係，開發出以點矩陣全像片為即時性互動裝置的合成音訊播放系統。參與者能夠以肢體動作影響全像影像的呈現，當全像影像產生變化，系統即會依照變圖的速度播放此合成音訊。透過此系統的操作，不僅能體驗到擊拍練習的樂趣，也同時能賦予使用者視覺上的娛樂性。 13.

(22) 隔年，為解決變圖音訊系統對電腦運算負荷量較大的問題，他們成功的開發了另一種更節省電腦效能的改良式合成音訊全像片，其原理是將含有音訊編碼的二維條碼（2-D Barcode）加入全像片的設計當中，並進行幾何轉換解密，在正常的觀看角度下，全像片會呈現有意義的圖文，而在較為偏折的角度中，才會顯示二維條碼，如圖 2-11。而已經跟音訊結合的二維條碼，在機器的偵測下就能播放出音樂，此方法再次讓點矩陣全像片由平面表現走向了多媒體的應用（Wang, Yang & Fang, 2007）。. 圖 2-11 運用點矩陣全像片之變圖功能呈現圖文與二維條碼資料來源：Wang, Yang & Fang (2007). 全像片的光柵結構甚至被開發為另類的濾波器，可有效的控制、吸收光線，強化了光電轉換的效率，讓以太陽能電池板為核心的光伏電池（Photovoltaic Cell）發展出更多的可能性（Zhang, Russo, Gordon, Vorndran, & Kostuk, 2013）。. 點矩陣全像片不僅可用來表現一般的平面媒材，也可呈現 3D 立體畫面與動態影像，故其具有豐富的視覺效果，如變圖、景深、流動、縮放等效果（Andrulevičius, Tamulevičius, & Tamulevičius, 2007）。此外，點矩陣全像片的高防偽特性，讓非法的複印面臨絕對的難度，這也是點矩陣全像片具備的一項重大優勢。由此可見，點矩陣全像片不僅是科技的產品，更是藝術領域的絕佳媒材。本研究藉著點矩陣全像片的變圖效果，將擴增實境辨識圖案也隱藏於其中，進而使其成為能啟動擴增實境效果的載體，符合了科技與藝術結合之跨領域思維。. 14.

(23) 第二節擴增實境之相關研究擴增實境（Augmented Reality）一詞在 1968 年由 Sutherland 所提出，隨著資訊社會及科技生活的快速拓展，投入此技術的研究者正在逐年增加（劉文心，2009）。擴增實境是將虛擬物件增添於人眼所見的真實世界中，透過攝影機擷取辨識特徵並經由軟體辨認，找尋資料庫中的對應物件並顯示在顯示儀器上（Elbasiouny, Medhat, Sarhan, & Eltobely, 2011）。與虛擬實境（Virtual Reality）的不同之處在於，VR 礙於真實世界與虛擬世界的場景不一，發展上的限制也較高，而擴增實境既可以呈現人眼看到的真實世界，也利用電腦即時運算而加入虛擬物件來增加所需要的資訊，如圖 2-12。. 圖 2-12 擴增實境示意圖資料來源： http://usatoday30.usatoday.com/news/science/stuffworks/2001-02-23-augmented-reali ty.htm. 15.

(24) Milgram 和 Kishino （1994）提出一個現實與虛擬的環境表現圖，如圖 2-13，最左邊為真實的世界，最右邊為虛擬世界，而介於中段的稱為混合實境（Mixed Reality），擴增實境就屬於這塊範圍中，在使用者現有的真實環境之中加上虛擬的數位物件，是為虛實的結合。Lee、Rincon、Meyer、Höllerer 與 Bowman （2013）認為，以現今的混合實境技術而言，其視覺真實效果逐漸提高，使用者將會越來越難分辨真實環境與虛擬物件的差異。擴增實境與虛擬實境最大的不同，乃是擴增實境架構於真實場景，並運用電腦來即時運算，以提昇真實世界中相關任務的執行效果資訊，並強調真實與虛擬的複合互動（Azuma, 2001）。. 圖 2-13 虛實結合的混合實境資料來源：Milgram & Kishino (1994). 紐西蘭坎特伯里大學 HIT Lab 研發的 MagicBook，在擴增實境的領域中有著重要的地位。MagicBook 的使用方式為一本紙本的書、擴增實境的顯示設備以及電腦顯示設備，在人類肉眼的觀察下它僅僅是一本與一般書無異的紙本書；在擴增實境觀測下，它具備了顯示出虛擬物件的功能；在虛擬實境的觀測中，畫面會經由電腦產生虛擬 3D 的模組，其三種型態如下圖所示: 圖 2-14 （a）在人眼閱讀下，此書看來與一般的紙本書籍無異，讀者可以像閱讀正常書籍時一樣閱讀 MagicBook （但具備黑框辨識圖型，方便機器追蹤）。圖 2-14 （b）在戴上擴增實境的顯示裝置後，3D 的虛擬圖案會顯示在眼前的顯示裝置上，此一景象是由人眼正常的視覺再結合透過電腦處理過後的 3D 模組，達到擴增實境的效果。圖 2-14 （c）則開啟虛擬實境的功能，讓人眼的視覺全部由電腦處理過後 16.

(25) 的 3D 模組所取代，達到虛擬實境的效果（Billinghurst, Kato, & Poupyrev, 2001）。. （a）. （b）. （c）. 圖 2-14 MagicBook 的使用資料來源：Billinghurst, Kato, & Poupyrev (2001). 目前擴增實境被廣泛的應用在眾多領域中，其即時性以及真實性的互動模式帶給使用者全新的感受。Henderson 和 Feiner （2011）即將擴增實境應用在精密機械的保存與維護上，如圖2-15。此研究中，操作人員需戴上頭罩式顯示器，將整合的虛擬物件於顯示器上呈現。圖2-15 （a）說明此技術能用擴增實境指標標示出被指定要修復的大略位置；圖2-15 （b）則出現紅色的虛擬指標，為操作人員更準確的定位；圖2-15 （c）顯示，當操作人員已接近目標區域時，紅色虛擬指標會漸變為半透明化，且出現文字說明作為輔助；而當紅色指標完全消失時，目標物會逐漸發亮，讓操作者能清楚的判斷需要修復的位置，如圖2-15 （d），最後即能實際且有效的降低操作上的錯誤。. 圖2-15 擴增實境應用於維修裝置資料來源：Henderson & Feiner (2011) 17.

(26) 另外，擴增實境也被推行至醫學領域使用，德國慕尼黑大學的研究團隊即針對現有的擴增實境醫學系統進行討論。他們的研究指出，外科醫師要非常清楚解剖、移植、以及手術工具的操作，才能成功的執行整形外科手術或是創傷手術，這些要求不僅需要相當大的時間成本及專注力，更會使病人長期暴露在 X 光的輻射環境下。而現有的擴增實境系統可與 X 光結合，醫生能藉由擴增實境影像確認 X 光是否與患部定位準確，更能使用擴增實境的標記功能，避免校準誤差導致的手術失誤，如此便能縮短手術的時間，也能使病人不用長期的暴露在輻射環境之中。另外，擴增實境也可用來模擬體內的構造，圖 2-16 說明了使用者可藉由不同的手勢選擇欲互動的身體部位，綠色的線條標示出目前被選擇的身體部位（Navab, Blum, Wang, Okur, & Wendler, 2012）。. 圖 2-16 以擴增實境模擬人體構造資料來源：Navab, Blum, Wang, Okur, & Wendler (2012). 此外，HIT Lab 也發表了將擴增實境推廣至教育的文章，他們的研究指出， AR 是一種能同時達到娛樂性與教育性的高效能媒介。他們讓學生針對特定的學科進行 3D 模型的建構，在這段過程中學生必須要深入的了解主題，才能發展出 18.

(27) 適切的 3D 模型，最後透過 Build AR 系統整合，展示擴增實境的功能，如圖 2-17。研究結果顯示，擴增實境是相當有價值的課堂教學工具，將其應用於教育之中有非常正面的效果，儘管此文是針對兒童學習為主軸，但實際上擴增實境的教育面向可涵蓋所有的年齡層，AR 的高互動性也可用於強化學習成效（Billinghurst & Duenser, 2012）。. 圖 2-17 以螺旋模型強化學習成效資料來源：Billinghurst & Duenser (2012). 而在展示擴增實境效果的終端設備中，手持式設備（如智慧型手機與平板電腦）也逐漸被研究者討論，如維也納的 Gervautz 和 Schmalstieg （2012）即針對此領域作分析。他們指出現代的手持式顯示設備具備了數種感測器，如 GPS、指南針、線性加速器、及迴轉儀…等，皆大大強化了手持設備的感測功能，藉由這些功能及越來越高畫素的相機，使手持式顯示設備偵測位置與角度的準確度大幅上升，進而使之成為能達到擴增實境效果的平台。手持式的擴增實境技術也有許多潛在的應用價值，如圖 2-18 即是將其與廣告結合、圖 2-19 則是手機結合擴增實境的互動式遊戲。. 19.

(28) 圖 2-18 以智慧型手機啟動擴增實境廣告資料來源：Gervautz & Schmalstieg (2012). 圖 2-19 智慧型手機結合擴增實境的互動遊戲資料來源：Gervautz & Schmalstieg (2012). Demuynck 和 Menéndez （2013）認為，啟動擴增實境需要在終端設備上置入 3D 模型，流程過為繁雜。因此，他們開發了新型的擴增實境辨識圖案 Magic Cards，將色彩資訊以及虛擬物件的外形編碼於此辨識圖案之中，使 Magic Cards 的外觀有別於傳統黑白方框式的擴增實境辨識圖案，不僅皆以圓形呈現，且含有 20.

(29) 豐富的色彩表現，如圖 2-20。軟體可藉由 Magic Cards 上色彩的資訊、圖案的形狀，解碼並塑造出圓形的虛擬物件，其偵測的表現在一般光源下有不錯的效果，如圖 2-21。. 圖 2-20 Magic Cards 資料來源：Demuynck & Menéndez (2013). 圖 2-21 Magic Cards 與虛擬物件資料來源：Demuynck & Menéndez (2013). 21.

(30) 然而，目前擴增實境在使用上仍具有一些限制，例如：為了強化機器偵測效果與穩定度，而設計給機器追蹤的辨識圖案。這些辨識圖案並非提供給人眼閱讀與瞭解，且造成視覺上的衝突與障礙，影響了設計的整體美感。因此，如何不透過辨識圖案即可帶出擴增實境則成為未來的發展趨勢。目前的研究已可透過一些方法來隱藏辨識圖案，主要可分為兩類型：第一種為無標誌型（Marker-less）擴增實境，透過影像特徵點擷取來作為辨識方式；第二種則為隱藏式辨識圖案（Invisible Marker），透過特殊方式將辨識圖案隱藏於視覺環境中。. 1、無標誌型（Marker-less）擴增實境. 日本的學者提出了一種 Marker-less 的擴增實境辨識系統，其演算法是利用人體的的五隻手指作為辨識的特徵。他們將人體的手掌定義為皮膚區域（Skin Region），透過五隻手指的指間頂端當作定位，在手掌張開的時候，手指的間距處則稱為非皮膚區域（Non-skin Region），運用此方法在手掌固定的姿勢下，即可建立起擴增實境的辨識特徵，最後結合智慧型手機來帶出擴增實境之效果（Kato & Kato, 2011），見圖 2-22。此方法相當具創新性，且不需額外的製作流程及昂貴的設備，然而使用者需要將手維持在一定的姿勢，令使用者費時且費力，故此技術雖然新奇，但普遍推廣的可能性不大。. 圖 2-22 利用手指作為擴增實境辨識特徵資料來源：Kato & Kato (2011) 22.

(31) 同一年，在南韓的科學與科技研究機構發表的文章中，Ha、Jung、Han、Cho 與 Yang （2011）等人提出了將行動設備與伺服器終端透過 Wi-Fi 連線，把行動設備上之相機鏡頭所讀取到的影像傳送給具有辨識訊號功能的伺服器終端，再從資料庫中搜尋、比對出與此訊號最符合的一筆資料，並將之回傳給行動設備，而行動設備即可呈現出擴增實境的效果，如圖 2-23。然而，這種 Marker-less 技術對於硬體設備的要求相較於傳統的擴增實境系統高，大幅的增添了主機的負荷，若要大量運算資料時容易造成當機的現象。. 圖 2-23 擴增實境循環資料庫示意圖資料來源：Ha, Jung, Han, Cho, & Yang (2011). Sakuma 、 Yamabe 與 Nakajima （ 2012 ）則使用無線射頻辨識技術（Radio Frequency IDentification, RFID）來執行擴增實境。他們認為紙牌類型的遊戲，常常因為規則過於複雜而使得初學者難以上手，因此他們將 RFID 晶片置入於紙牌中，並在電腦終端設定讀取點，透過能相互對應的晶片，分別設計出提供使用者操作提示的虛擬物件，再藉由投影機將虛擬影像投影到牌桌上，如圖 2-24。此技術能指導初學者更快地進入遊戲，透過擴增實境的方式也能為傳統的紙牌遊戲增添趣味。但 RFID 晶片取得不易，手動加裝於紙牌上也相當費時費力，難以被廣泛的應用。 23.

(32) 圖 2-24 以 RFID 進行影像擴增系統示意圖資料來源：Sakuma, Yamabe, & Nakajima (2012). 2、隱藏式擴增實境辨識圖案（Invisible Marker）. 有學者曾利用半色調方式製作擴增實境辨識圖案，其方法是以混合網點數位浮水印隱藏技術，將擴增實境辨識圖案以純色的黑墨輸出，但是人眼無法看見此辨識圖案。而在同一塊區域上，則印上只用青、洋紅、黃，此三色墨輸出的具有意義之圖文。因此，在人眼的觀察下，僅會看到設計好的圖文印紋，而在紅外線鏡頭的模式下，則會穿透表面印紋，並能夠偵測到隱藏的擴增實境辨識圖案，如圖 2-25，最後便能成功的呈現擴增實境虛擬物件（Wang, Liu, Chang, & Chen, 2008）。此方法雖然能將擴增實境辨識圖案完全的隱藏起來，但是卻也讓使用者忽略了擴增實境的功能，因為使用者並不知道擴增實境辨識圖案的存在。. 24.

(33) （a）. （b）. 圖 2-25 以半色調技術製作擴增實境辨識圖案（a）正常觀看效果（b）紅外線模式觀看結果資料來源：Wang, Liu, Chang, & Chen (2008). Park 和 Park （2010）也共同提出了一種以紅外線特殊油墨來隱藏擴增實境辨識圖案的技術，該技術運用紅外線筆繪製成一般肉眼無法看見的擴增實境辨識圖案（IR-based AR Marker），並將該圖置放於一面冷鏡片（Cold-mirror）上。而後將配有色彩校正（Color Correction）濾鏡的攝影機與紅外線攝影機，分別設在冷鏡片的兩側拍攝影像，透過色彩校正的攝影機，可以拍攝出正常光源下的景象，而紅外線攝影機則可以捕捉到隱藏的擴增實境辨識圖案。兩個影像最後會在終端結合，即可呈現出擴增實境的效果，如圖 2-26。但是紅外線特殊油墨在市面上的流通量並不高，以致於取得不易。此外，特殊油墨價格昂貴，若要以此製作成產品，成本將大幅提高，商品的單價亦必須因此走高，影響買氣；再者，此辨識圖案需由人工繪製，不符合印刷大量生產的製程。. 25.

(34) 圖 2-26 紅外線擴增實境辨識圖案的顯像方法資料來源：Park & Park (2010). Juan 和 Joele （2011）則以隱藏式擴增實境辨識圖案為基礎，研究出一種擴增實境的應用模式，用以克服使用者對於小型昆蟲的恐懼感。他們同樣是透過紅外線油墨繪製人眼無法看見的隱藏式擴增實境辨識圖案，而後使用一般攝影機與紅外線攝影機同時捕捉，再藉由擴增實境軟體「ARToolKit」運算此隱藏式擴增實境辨識圖案。此研究的不同之處，在於使用者需配戴頭戴式顯示器（Head-mounted Display, HMD），而一般攝影機與紅外線攝影機皆架設於顯示器上方並連接，虛擬物件方能於顯示器上成像，如圖 2-27。雖然此研究提出了另一種隱藏式擴增實境辨識圖案的操作，但是頭戴式顯示器昂貴且不易取得，將攝影機架設於其上也需耗費不少心力，故此架構也並非最適合大眾使用的工具。. 26.

(35) 圖 2-27 使用者配戴 HMD 與虛擬物件互動資料來源：Juan & Joele (2011). 27.

(36) 第三節文獻小結透過本章的文獻整理，分析點矩陣全像片的起源與發展，了解過去研究對此技術的探討及應用。此外，也歸納擴增實境技術的歷史以及其應用，並剖析隱藏擴增實境辨識圖案的兩種方式「Marker-less」與「Invisible Marker」，此二技術能隱藏專為機器偵測設所製作的辨識圖案，讓產品的視覺表現上更能符合人眼的需求，且不至於降低設計上美感。. 然而，經由文獻探討的過程中發現，若將辨識圖案完全隱藏，也會造成使用者的不便，因為使用者並不知道擴增實境辨識圖案的存在，設計者反而需要藉由額外的說明方式來闡述某物品具備擴增實境之功能。因此，文獻探討可歸納出此結論，即半隱藏的辨識圖案較符合人類的使用習慣。本研究利用點矩陣全像片的變圖功能，隱藏擴增實境辨識圖案，在正常的觀看下，點矩陣全像片是有意義的圖文影像；在偏折的角度觀看下，才會看到擴增實境辨識圖案。本研究整理全像及擴增實境領域的諸多文獻，吸收內化為本研究技術的核心，並藉眾多方法為基礎，製作能半隱藏辨識圖案的擴增實境全像片，創造跨領域的可能性。. 28.

(37) 第三章研究設計本章共分七節，第一節將介紹整體的研究流程、第二節為研究設備與工具、第三節到第六節將針對點矩陣全像片的製作端、設計素材，以及擴增實境偵測環境的設定做討論。最後，第七節則介紹問卷實施的方式。. 第一節研究流程本研究的主要目的是運用點矩陣全像片呈現擴增實境的效果，使點矩陣全像片在正常的觀看角度下能顯示有意義的影像，而在非常偏折的角度下能看到擴增實境辨識圖案。接著，確認此全像片能成功帶出擴增實境的虛擬物件，並以問卷調查使用者對此全像片的喜好程度。最後，將其與適切的加值產品整合。根據上述章節，本研究將研究流程歸納如圖 3-1：. 29.

(38) 確認研究方向. 相關文獻蒐集. 選擇虛擬物件. 全像片設計. 全像片輸出. 測試 AR 效果問卷調查結果分析設計加值產品論文撰寫圖 3-1 研究流程圖資料來源：研究者繪製. 30.

(39) 第二節研究設備及工具本研究的研究設備及工具如下表3-1：. 表3-1 研究設備及工具實驗影像. 盧彥勳卡通版經典動作影像. 虛擬物件. 「3D盧彥勳」、「3D大獅」模型 Matlab R2012a 程式語言軟體 Artweaver 3.0 繪圖軟體. 研究工具. Build AR 擴增實境軟體全像影像電腦輔助設計程式 SR-210R Camera 紅外線攝影機. 資料來源：研究者製作. 本研究利用 2010 年盧彥勳打進溫布頓八強時，他做出的經典動作「親吻手指」、「指向天際」轉化為卡通影像，並設計為全像片的核心圖案，故實驗影像為盧彥勳打入溫布頓八強的影片。「盧彥勳」之 3D 模型與組圖由鍾語桐繪製 (圖 3-2)；「3D 大獅」為「Build AR」軟體所內建之 3D 模型。本研究使用「Artweaver 3.0」繪圖軟體來設計擴增實境辨識圖案，並運用「Matlab R2012a」程式語言軟體來整合製作全像圖檔。擴增實境辨識系統的部分，採用紐西蘭坎特伯里大學 HIT 實驗室開發的「Build AR」來執行，偵測辨識圖案的鏡頭則為「SR-210R Camera」。. 31.

(40) 圖 3-2 盧彥勳卡通版經典動作影像資料來源：鍾語桐繪製 32.

(41) 第三節點矩陣全像片的製作在製作點矩陣全像片的過程中，需要有彩色索引檔（Color Index Image）以及能與其對應的灰階檔（Grayscale Image），如圖 3-3 （a）及 3-3 （b）。彩色索引檔的功能，是用來控制全像片的色彩表現，其色彩的像素（Pixel）由紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）、青（Cyan）、洋紅（Magenta）、黃（Yellow）六種純色來表現色彩（圖 3-4），原因是全像片是以彩虹呈色，但是為了符合印刷的條件，因此從 RGB 中取其相近色，才會以 RGBCMY 作為色彩表現的方式，而其中黑（Black）代表原色光的繞射，故於全像片上不顯示顏色，若是影像索引檔中含有白色也無法打出顏色，效果和設定黑色相同。. （a）. （b）. 圖 3-3 全像片之（a）彩色索引檔（b）灰階檔資料來源：鍾語桐繪圖、研究者製作. 33.

(42) 圖 3-4 點矩陣全像片的色彩組成資料來源：盧詩雲繪製灰階檔案透過灰階值（Grayscale Value）的設定來控制光柵的角度，因此也直接的影響全像片的觀看角度。而在點矩陣全像片中，其灰階值使用的範圍在 0~255 之間，這項數值決定了全像影像從-90 度到 90 度間所在的角度（圖 3-5），簡單的說，若是將灰階值數據設定越寬，觀察全像影像的角度則會變得越偏折。光柵角度與灰階值的關係可由公式（3-1）解釋：. 光柵角度=（灰階值／255*180-90）（單位：度）. 圖 3-5 光柵角度與灰階值關係之示意圖資料來源：研究者繪製 34. （3-1）.

(43) 點矩陣全像片是藉由兩道雷射光的干涉所記錄而成，而經過干涉後所形成的光柵點就能被輸出於光阻母版上（Photoresist Master）了。在大量生產的程序中，全像母版需要經過電鍍成為印版，如此才能在鋁箔或其他媒材上大規模的壓印。此外，透過特定的光柵點排列方式，點矩陣全像片還能擁有變圖、3D 景深、流動等特殊效果。本研究主要使用由華錦光電科技（AHEAD Optoelectronics）所設計的點矩陣全像製版機 Sparkle II，作為全像片之輸出設備，如圖 3-6。. 圖 3-6 點矩陣全像片成像示意圖資料來源：華錦光電科技. Ahead Sparkle II 全像製版機，實際輸出的全像影像解析度介於 400-1000dpi 35.

(44) 間，設備及系統介面如圖 3-7 （a）、（b）所示。Sparkle II 全像製版機以 He-Cd 雷射作為入射光源，其波長約 442nm，經過全像系統光路後，採用半導體製程使光阻曝光，顯影後成為光阻母版，其全像系統光路架構如圖 3-8 所示。. （a）. （b）. 圖 3-7 全像製版機（a）點矩陣全像設備（b）系統介面資料來源：林子淵（2012）. 圖 3-8. 點矩陣全像系統架構圖. 資料來源：華錦光電科技. 36.

(45) 第四節擴增實境全像片的設計與虛擬物件的選擇本研究設計的全像片內容，擷取自盧彥勳 2010 年打進溫布頓八強時的影片（圖 3-9），賽後他做出了經典動作「親吻手指」、「指向天際」向已逝的父親致敬。本研究即利用此二張關鍵圖像，將其轉化繪製成 3D 影像（圖 3-10），影像為 2009 年榮獲經濟部 4C 數位內容動畫組優選鍾語桐所設計（林子淵，2012）。. 圖 3-9 盧彥勳晉級溫布頓八強影片資料來源：http://www.youtube.com/watch?v=O6miJCK4VjI. （a）. （b）. 圖 3-10 （a）盧彥勳親吻手指（b）盧彥勳向天致敬資料來源：鍾語桐繪製. 另外，本研究同時也設計了兩組擴增實境辨識圖案「Marker 師大」及「Marker LU」，如圖 3-11，也將於同一張點矩陣全像片上呈現。而後透過擴增實境軟體「Build AR」的設定，將此二擴增實境辨識圖案對應於兩個不同的擴增實境虛擬物件上。 37.

(46) （a）. （b）. 圖 3-11 （a）Marker 師大（b）Marker LU 資料來源：研究者繪製. 其中，擴增實境辨識圖案「Marker 師大」之設計素材，採用董陽孜大師題字的「師大大師」書法字，傳承了師範大學的精神。在 2009 年時，師大美術系的林正仁教授於帶領學生雕塑了沉思的獅子，並座落於國立臺灣師範大學的校園之中，定名為「師大，大獅」，不僅採取諧音與師大大師呼應，亦代表師大在學術界的領導地位，見圖 3-12。因此，本研究在擴增實境虛擬物件的選擇上，也採用了「獅子」的 3D 模型作為表現，定名為「3D 大獅」，並使辨識圖案「Marker 師大」對應到「3D 大獅」，見圖 3-13。. 圖 3-12 師大校園景觀雕塑─「師大，大獅」資料來源：林正仁等人設計、研究者拍攝 38.

(47) 圖 3-13 「Marker 師大」對應「3D 大獅」資料來源：研究者繪製. 另外，擴增實境辨識圖案「Marker LU」之設計構想，則是採用盧彥勳姓氏的羅馬拼音製作而成。因此，此辨識圖案將直接對應到鍾語桐所繪製的盧彥勳 3D 模型，本研究將其命名為「3D 盧彥勳」，見圖 3-14。. 圖 3-14 「Marker LU」對應「3D 盧彥勳」資料來源：研究者繪製. 在全像片檔案的尺寸上，將其製作為 900 pixel×900 pixel。解析度設定為 1000 dpi，全像片輸出大小則為 2.3 公分×2.3 公分。. 39.

(48) 第五節以 Matlab 開發的設計工具整合全像檔案 Shafipour 和 Fetanat （2012）利用 Matlab 開發軟體時發現，若能採用適當的工具並合理的運用，將能為使用者帶來較佳的使用成效。Molcer 和 Delic （2011）也認為，課堂中學生被指定要完成的計畫案，在學生使用 Matlab 軟體的操作之後，其完成度將會大幅上升。而設計全像片時，常會遭遇一些製程上的困難，尤其在彩色索引檔與灰階檔的整合設計方面，經常消磨設計者許多心力、時間與測試輸出費用。因此，本研究以 Matlab 開發出一套全像片電腦輔助設計工具，其內容包含了全像片設計圖檔「除錯模組」、「合成模組」與「預覽模組」。「除錯模組」能檢視全像片設計圖檔是否有非純色像素，以及彩色索引檔與灰階檔的像素是否能完全對應；「合成模組」可設計景深與變圖等特殊效果，並將其功能融入於數位圖檔中，並讓實際輸出的全像片具有對應的效果；「預覽模組」則能以每觀察角度五度為基準，建立一張共計 36 組的全像片預覽圖，模擬在不同角度可觀察到的光影效果，讓使用者在不需實體打版測試輸出的情況下，即能預覽全像片於輸出後的光影效果（王希俊、傅如尉、徐仲萱，2012）。以下為各模組之實際應用：. 1、除錯模組「除錯模組」 -- 包括彩色圖檔純色自動除錯更正次模組（ckcolor.m）及彩色與灰階圖檔對應自動糾錯次模組（ckholo.m）等，一共兩個次模組。彩色圖檔純色自動除錯更正次模組是用來找出彩色檔案中所含有的非純色像素。彩色與灰階圖檔對應自動糾錯次模組能夠協助使用者找出彩色與灰階圖檔中不對應的像素，也就是彩色圖檔中的某一像素若有設定 R，G，B，Y，M，C 中的任一色，則其相對應位置的灰階影像必需要設定灰階值，確保數位點矩陣全像檔案的正確性以利全像片打版輸出機所接受。圖 3-15 即是一組彩色檔案（a）與灰階檔案（b）存在有極小的錯位誤差，而透過 ckholo.m 糾錯後，就能顯示出不對 40.

(49) 應的像素數量以及錯誤像素的位置，如圖 3-15 （c）。此除錯模組能確保所設計之全像影像的正確性，解決了許多全像影像設計者的長期困擾，而現有商業軟體又無法提供此功能，本研究所發展出之除錯模組則適當地提供此獨特功能以供設計者使用。. （a）. （b）. （c）圖 3-15 全像片設計彩色與灰階圖檔對應自動糾錯次模組效果示意圖（a）為彩色索引檔，（b）為未能完全對應的灰階檔，（c）則是由程式揪錯的影像結果。資料來源：研究者製作. 2、合成模組「合成模組」-- 包括組合次模組（mycomp.m）、景深次模組（mydepth.m） 41.

(50) 與變圖次模組（myblend.m）等，一共三個次模組，可設計出不同的光影變化效果。組合次模組可利用遮罩方式將前景與背景作組合；景深次模組可將兩階影像製作為具立體景深效果之底紋色彩與灰階影像；變圖次模組可將兩張或多張影像拆解，分別設定不同的灰階值，而達到不同角度觀察到不同影像之變圖效果。. 變圖的概念為影像的轉換，圖 3-16 即是影像由 A 漸變為 B、C 與 D 的過程，其運算方法可由方程式（3-2）至（3-5）所示，並繪製於圖 3-17 上。. X2i-1,2j-1. =. Aij. （3-2）. X2i-1,2j =. Bij. （3-3）. X2i,2j-1. Cij. （3-4）. =. X2i,2j =. Dij. （3-5）. 其中，X 為混合影像（可為彩色影像或灰階影像），由四張變圖影像所組成， i、j 則為影像所在的像素位置。由於灰階值可用來定義全像影像的可觀察角度，於此設定不同的灰階值並帶入方程式（3-2）至（3-5）運算，即可在不同的角度下觀察到不同的影像，產生變圖的效果，而所有的變圖均可在同一張點矩陣全像片上實現。. 圖 3-16 變圖流程圖資料來源：研究者繪製. 42.

(51) 圖 3-17 四張影像之變圖效果示意圖資料來源：研究者繪製. 本研究使用變圖次模組，將「Marker 師大」、「親吻手指」、「指向天際」、「Marker LU」四圖的灰階值分別設定為 42、107、149、213，如圖 3-18。本研究使用變圖的概念，將四張原始檔案合成為一張彩色索引檔以及對應的灰階檔，即成為符合全像打版機輸出要求的全像檔案，如圖 3-19。. 43.

(52) 圖 3-18 灰階值設定結果圖（a）「Marker 師大」，灰階值 42 （b）「親吻手指」，灰階值 107 （c）「指向天際」，灰階值 149 （d）「Marker LU」，灰階值 213 資料來源：研究者製作. （a）. （b）. 圖 3-19 使用變圖次模組之效果示意圖（a）彩色索引檔（b）灰階檔資料來源：研究者製作. 3、預覽模組「預覽模組」（mypreview.m）以每隔觀察角度五度建立一組 36 張在不同角 44.

(53) 度下可觀察到的光影效果模擬圖，此模組能預覽所設計之全像片於輸出後的光影效果。藉由此程式的操作，在不需花費高額的全像片打版輸出下，設計者能即時掌握全像片未來輸出後的光影色彩，圖 3-20 即為全像片由 0 度至 175 度的 36 張預覽圖，本研究即以此圖模擬全像檔案輸出後的光影變化效果。. 圖 3-20 全像片光影效果預覽模組之 36 張觀看角度模擬圖資料來源：研究者製作. 45.

(54) 第六節擴增實境偵測環境設定在全像檔案製作整合完成之後，本研究即送交全像檔案至華錦光電公司，並以 1000dpi 將全像影像輸出於一光阻母片上。圖 3-21 的全像影像即是由光阻母片拍攝而成，其方法是將光源自-90 度至 90 度移動，並透過一固定的攝影機，拍攝了各個角度下全像片的變圖效果，由本圖可看到四張全像影像「 Marker NTNU」、「親吻手指」、「指向天際」、「Marker LU」，皆表現於同一張全像片中。. 圖 3-21 擴增實境全像片實際輸出後的影像資料來源：研究者拍攝. 接著，便啟動「Build AR」軟體來測試此全像片的擴增實境效果。本研究考量到產品加值的可能性，故以盧彥勳為主題設計一張球員卡，此球員卡的右下方為鏤空，其空間可用來放置全像片，見圖 3-22，接著便以鏤空的空間進行擴增實境效果的偵測。. 46.

(55) 圖 3-22 盧彥勳全像球員卡模擬圖資料來源：盧詩雲設計、研究者製作. 本研究發現，環境的設置，如光線、攝影機距離、攝影機角度…等因素，皆會影響到擴增實境全像片的偵測表現，因此，將上述因素納入為變項討論有其重要性在。由於全像片辨識圖案容易出現偵測上的干擾，所以在擴增實境的運行條件上也比傳統的可見辨識圖案嚴格許多。為證實上述假設是否成立，本研究將針對全像片辨識圖案與傳統的可見辨識圖案做偵測上的比較與討論。. 實驗過程中，全像片辨識圖案與傳統辨識圖案以完全相同的條件測試，辨識圖案的尺寸皆為 2.3 公分×2.3 公分，兩者皆使用盧彥勳球員卡之鏤空部分為外框，外框的尺寸為 2.6 公分×2.6 公分，多餘的空間完全以黑色為底色填滿，見圖 3-23。. 47.

(56) （a）. （b）. 圖 3-23 （a）傳統可見 marker （b）全像 marker 資料來源：研究者拍攝. 測試時，兩種辨識圖案皆置放於完全平坦的桌面上，由於光源為影響全像片變圖的主要因素，為求兩種辨識圖案的公平性，故將光源固定於實驗物的正前方，離辨識圖案的距離為 45 公分。由於本研究的全像辨識圖案「Marker 師大」及「Marker LU」隱藏於兩個相互極端的不同角度中，故以辨識圖案做為區分，進行兩個部分的辨識圖案辨識。偵測攝影機採規律性的方式移動，第一組「Marker 師大」以每 10 公分為一個單位，由 20 公分測試至 100 公分，共有九個階段，並以每 10 度為一個單位，由-90 度測試至 0 度，共十個角度；第二組「Marker LU」也將距離分成九個階段，不同的是，此處的偵測角度為相反，將由 0 度量測至 90 度，整體的實驗環境如圖 3-24。. 48.

(57) 圖 3-24 實驗環境示意圖資料來源：鄭雅文繪製. 49.

(58) 第七節問卷實施為了解使用者對擴增實境全像片的評價，本研究針對全像擴增實境辨識圖案的概念、擴增實境偵測的穩定性、以及使用者對擴增實境辨識圖案的偏好，此三方向來設計問卷，如表 3-2。在此問卷中，使用「擴增實境全像片」隱藏擴增實境辨識圖案是有意義的；及使用「擴增實境全像片」隱藏擴增實境辨識圖案是成功的，此二題的評價方向屬於全像擴增實境辨識圖案的概念。使用「擴增實境全像片」偵測擴增實境效果是容易的；及使用「擴增實境全像片」偵測擴增實境效果是穩定的，此二題則是針對偵測的穩定性來做問卷的設計。接著，你/妳喜歡傳統的擴增實境辨識圖案；及你/妳喜歡全像的擴增實境辨識圖案，此二題則是詢問使用者喜好哪種形態的擴增實境辨識圖案。在最後一個題目中，未來看到全像的擴增實境辨識圖案，你/妳願意再次體驗及互動，則可以使用者的角度評價擴增實境全像片的未來性。. 本問卷施測的對象，為對「擴增實境」有一定認知程度的碩士班研究生，預期的樣本數為 30 份。在填寫問卷之前，本研究將透過與上節相同的實驗環境設定，讓受測試的 30 位學生能夠親自體驗本全像片的擴增實境效果，方進行問卷之填答。. 本研究所設計之問卷，採用李克特式五點量表作為答題標準，進行數據的統計。題目之答項共有五種，分別是非常同意、同意、普通、不同意以及非常不同意，本問卷將依使用者勾選的選項計分，「非常同意」為五分、「同意」為四分、「普通」為三分、「不同意」為兩分、「非常不同意」為一分（Yamabe & Nakajima, 2013）。本文依照此分類進行統計，計算每題之各答項被勾選的次數，以及其平均數及標準差，冀望提供值得參考的數據。. 50.

(59) 表 3-2 施測問卷題目. 非常同意. 同意. 1.使用「擴增實境全像片」隱藏擴增實境辨識圖案是有意義的。 2.使用「擴增實境全像片」隱藏擴增實境辨識圖案是成功的。 3.使用「擴增實境全像片」偵測擴增實境效果是容易的。 4.使用「擴增實境全像片」偵測擴增實境效果是穩定的。 5.你/妳喜歡傳統的擴增實境辨識圖案。 6.你/妳喜歡全像的擴增實境辨識圖案。 7.未來看到全像的擴增實境辨識圖案，你/妳願意再次體驗及互動。. 資料來源：研究者設計. 51. 普通. 不同意. 非常不同意.

(60) 第四章研究結果與討論本章研究結果與討論，將針對第一節全像球員卡的設計、第二節擴增實境的偵測結果、以及第三節問卷數據的統計，進行分析與整理，本章的結果可為潛在的使用者提供一套參考的依據。. 第一節全像球員卡設計單獨存在的全像片較無法彰顯收藏的價值，因此將全像片與產品結合乃是重要的趨勢，若經過適當的設計將可提升整體的美感。本研究考量到全像片後續的應用，故以全像片主題「盧彥勳」為設計主軸，進行加值產品「盧彥勳全像球員卡的設計」，其尺寸為 9 公分×6.5 公分，卡片設計者為國立臺灣師範大學圖文傳播系碩士班一○一級的盧詩雲。. 本球員卡的故事呼應全像片的內容，同為盧彥勳在 2010 年晉級溫布頓八強時，其向已逝父親致敬的經典記憶，而球員卡透過文字敘述可做出更為深入的介紹，另外，球員卡的設計中，所有盧彥勳的肖像皆取自於盧彥勳的官方網站，並且得到盧彥勳本人的授權，故可合理使用，球員卡的設計如圖 4-1 所示。. 52.

(61) （a）. （b）. （c）. （d）. 圖 4-1 全像球員卡（a）正面（b）正面與全像片位置模擬圖（c）反面（d）反面與全像片位置模擬資料來源：盧詩雲設計、研究者製作. 由圖 4-1 可看出，球員卡的正、反面上，皆會有一部分的鏤空來放置全像片，其效果可由模擬圖中看出。在球員卡正面的設計上，中間偏上方的部份將會置入盧彥勳指向天際的 3D 立體全像片，其人物尺寸長約 3 公分、寬約為 1.5 公分。反面的部份則是右下方的位置鏤空，並置入含有本研究擴增實境辨識圖案的一組變圖全像片。. 53.

(62) 第二節研究成果本研究的主旨為利用點矩陣全像片為載體，將擴增實境辨識圖案藏於其中，使其能成功的啟動擴增實境效果，帶出擴增實境的虛擬物件。擴增實境辨識圖案需再特定的角度下才會顯現，因此偵測亦需在特定的角度下實行，擴增實境才會成功啟動。經由測試之後，證明了此全像片可以表現擴增實境辨識圖案，進而帶出擴增實境的效果，如圖 4-2。. 圖 4-2 以點矩陣全像片追蹤擴增實境效果（a）「Marker 師大」（b）「Marker 師大」帶出「3D 大獅」（c）「Marker LU」（d）「Marker LU」帶出「3D 盧彥勳」資料來源：研究者拍攝 54.

(63) 接著，本研究針對兩組全像片辨識圖案與傳統辨識圖案，進行偵測效果的分析，實驗環境與實驗條件皆完全相同。偵測結果發現，在 90 度及-90 度此二極端角度下，攝影機位置已與桌面完全貼合，無論傳統辨識圖案或全像辨識圖案皆無法偵測到擴增實境效果，故此後皆不再列入分析。以下將針對「Marker 師大」及「Marker LU」分別討論。. 1、Marker 師大在傳統的「Marker 師大」中，由-80 度角開始，在距離 50 公分內為可偵測範圍；-70 至-50 度時偵測範圍擴大至 70 公分；-40 度以上時偵測距離皆可達到 80 公分之遠；-10 至 0 度可偵測範圍則超過 100 公分，由此數據可判斷，隨著角度加大，擴增實境的可偵測範圍也逐漸提高，如圖 4-3。而在全像的「Marker 師大」中，除了觀察角度為-70 至-40 度的情況下，其餘角度皆無法偵測出擴增實境的效果，原因為全像影像需在特殊角度中才能完整呈現，而擴增實境辨識圖案需為非常清楚的圖型才容易成功啟動效果，分別為攝影機角度-70 度時可偵測 20 公分；角度-60 度時可偵測至 30 公分；角度-50 至-40 度時可偵測角度皆可達到 50 公分，如圖 4-4。由此可見-50 至-40 度時，「Marker 師大」的圖型表現最為完整。. 55.

(64) 圖 4-3 傳統「Marker 師大」的擴增實境偵測結果資料來源：研究者製作. 圖 4-4 全像「Marker 師大」的擴增實境偵測結果資料來源：研究者製作. 2、Marker LU 傳統的「Marker LU」如圖 4-5，從 0 度角開始至 70 度間，全區段皆屬於可偵測範圍，偵測距離皆達到 100 公分遠；而在 80 度時，偵測距離也可達到 60 公分，因此可判斷傳統的「Marker LU」偵測效果為佳。全像的「Marker LU」，觀察角度 0 度、10 度、80 度、及 90 度時，可見的全像影像都不是辨識圖案，故 56.

(65) 無法有擴增實境的偵測效果；而在 20 至 60 度間，皆可看見完整的辨識圖案，位於此區段的擴增實境辨識距離由 20 公分至 100 公分間都擁有良好的辨識效果；角度落在 70 度時，可辨識距離也可達到 60 公分之遠，如圖 4-6，因此可說全像「Marker LU」的偵測結果並不亞於傳統的辨識圖案。. 圖 4-5 傳統「Marker LU」的擴增實境偵測效果資料來源：研究者製作. 圖 4-6 全像「Marker LU」的擴增實境偵測效果資料來源：研究者製作. 57.

(66) 經過上述數據的比較後發現，不論傳統辨識圖案或全像辨識圖案，「Marker LU」的偵測表現皆比「Marker 師大」來得好，其原因為「Marker 師大」的組成結構較為複雜，相對的也使攝影機的辨識結果較為不易，而形成偵測效果下降的情形。相反的，「Marker LU」的組成較為簡單，故提供了系統良好的偵測定位，在大角度且距離遠的條件下仍能有良好的辨識結果。. 本全像片使用有故事意義的影像作為主要內容，使擴增實境辨識圖案僅能在特定的角度下被觀察到。由本實驗的測試結果已可得到關鍵角度：「Marker 師大」於-60 度至-40 度時最易帶出擴增實境效果；「Marker LU」於 20 度至 60 度間可成功啟動擴增實境。. 58.

(67) 第三節問卷結果分析本研究以問卷作答的方式，調查使用者對於「擴增實境全像片」的整體評價。問卷針對全像擴增實境辨識圖案的概念、擴增實境偵測的穩定性、以及使用者對擴增實境辨識圖案的偏好，此三面向進行問卷的設計，問卷題目共七題。為方便參考本節所提供之資訊，本研究將七個題目依序列為評估面向的部份，並賦予明確的縮寫，項目如下：. 1、使用「擴增實境全像片」隱藏擴增實境辨識圖案是有意義的，簡化為「具意義性」。 2、使用「擴增實境全像片」隱藏擴增實境辨識圖案是成功的，簡化為「隱藏成功」。 3、使用「擴增實境全像片」偵測擴增實境效果是容易的，簡化為「偵測容易」。 4、使用「擴增實境全像片」偵測擴增實境效果是穩定的，簡化為「偵測穩定」。 5、你/妳喜歡傳統的擴增實境辨識圖案，簡化為「偏好傳統」。 6、你/妳喜歡全像的擴增實境辨識圖案，簡化為「偏好全像」。 7、未來看到全像的擴增實境辨識圖案，你/妳願意再次體驗及互動，簡化為「具未來性」。. 在請 30 位碩士班研究生進行「擴增實境全像片」的實際操作之後，即將問卷分別發放給這 30 位碩士班研究生進行填寫，已回收的樣本數為 30 份，有效問卷為 30 份，表 4-1 為 30 份問卷實際填答狀況的紀錄。. 59.

(68) 表 4-1 問卷填答狀況表評估面向. 非常同意. 同意. 普通. 不同意. 非常不同意. 具意義性. 21. 9. 0. 0. 0. 隱藏成功. 16. 14. 0. 0. 0. 偵測容易. 6. 14. 9. 1. 0. 偵測穩定. 4. 15. 10. 1. 0. 偏好傳統. 3. 4. 7. 10. 6. 偏好全像. 19. 11. 0. 0. 0. 具未來性. 26. 4. 0. 0. 0. 資料來源：研究者製作. 如表 4-2 所示，本研究使用平均數來分析資料的集中程度，所有題目的自變項皆是從「擴增實境全像片」的角度出發，使用者偏好的兩題除外。研究中具未來性（4.87）的平均數最高，依次為具意義性（4.7）、偏好全像（4.63）、成功隱藏（4.53）、偵測容易（3.83）、偵測穩定（3.73）、最後是偏好傳統（2.6）。平均數越高，代表受試者的答案越集中於同意、非常同意；平均數越低顯示受試者答案集中於不同意、非常不同意（許素梅，2012）。. 本研究使用標準差來分析資料的離散情形。研究中以偏好傳統的標準差最高（1.23），表示問卷答案最離散，接著依次為偵測容易（0.78）、偵測穩定（0.73）、成功隱藏（0.5）、偏好全像（0.48）、具意義性（0.46）、最後是具未來性（0.34）。. 此表的「偏好傳統」及「偏好全像」二題，代表使用者較喜歡使用傳統的擴增實境辨識圖案或是全像的擴增實境辨識圖案，顯示了明確的差異。本研究根據 60.