應用擴增實境於校園行動導覽

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：吳正己博士. 應用擴增實境於校園行動導覽. 研究生：詹雅茱撰. 中華民國一百零二年七月.

(2) 摘要本研究旨在將擴增實境與行動載具做結合，規畫一套結合校園環境、建築物與歷史特色的校園行動導覽系統，並以臺灣師範大學為例建置一導覽系統，藉以了解類似系統之使用效益。本研究採用設計研究法（Design-based Research），系統設計主要分為修改與開發兩個階段，系統開發完成後，進行實地使用測試之系統評估，並以問卷瞭解使用者對行動導覽系統的滿意度與建議。系統評估對象為參訪本校之校外人士，隨機選取並徵得同意，男女合計共 30 位。本研究開發的擴增實境校園行動導覽系統經評估後獲得如下結論：（1）導覽系統能正確引導使用者至選取之校園景點；（2）導覽系統的擴增實境效果，可以提高使用者的興趣；（3）本導覽系統加入的「目前位置」、「路徑紀錄」、「交通資訊」以及「師大新發現」等功能，有助於提升使用者在使用導覽系統時的滿意度；（4）八成以上使用者皆滿意此導覽系統。建議未來研究可以加入星級評論的互動管理機制，便於系統管理與資訊的呈現；加入 A-GPS 定位，提高定位準確度；以及增加校園周邊資訊，以利使用者同時瞭解校園周邊的生活資訊。. 關鍵字：擴增實境、行動導覽、校園導覽. i.

(3) Abstract Applying Augmented Reality in a Mobile Campus Touring System. Ya-Chu Chan. The purposes of this study were to develop and evaluate an augmented reality enhanced mobile campus-touring system. The designed system provided abundant digital contents, which allowed users to explore the history of the school while touring the campus. We adopted the Design-based Research method in this study, which included,-modification and development stages. The field evaluation of the system was conducted to thirty random selected visitors of the campus. The results of this study showed:(1) the system correctly guided the users to the points of interest (POI), (2) the users showed interests in the augmented reality features of the system, (3) the adding and sharing POIs feature increased users’ satisfaction, (4) the users showed positive attitudes toward using the mobile touring system. We suggested that future studies should develop interaction management mechanism, add Assisted GPS feature, and provide more POIs around the campus surrounding areas.. Keywords: Augmented Reality, Mobile navigation, Campus tour. ii.

(4) 誌謝生命中總是存在著許多驚奇，你永遠不知道下一刻將會發生的事。就這樣，我抱著這樣的心境，離開了台南的故鄉，獨自北上開啟我的碩士生涯。經過三年的碩士生活，現在的我，在即將畢業的時刻，一樣要期許自我永遠保持不斷成長的心態，準備好接受下一階段的挑戰！這三年中，我最感謝的人是我的指導教授吳正己老師，謝謝老師在繁忙的時間裡，還不忘指導我的論文，如果沒有老師的耐心引導與叮嚀，以及開闊我的視野和想法，那我想我無法順利的完成這項艱難的任務。再來感謝林育慈老師，謝謝您在每一次的 meeting 中，總是給予我許多寶貴的意見與幫助。還有，亦要感謝我的口試委員：賴錦緣老師，謝謝您對我的提點，讓我的論文更加完善。再來感謝這三年中，CSE Lab 的學長姐、學弟妹與不計名份的大家，因為有你們的陪伴與支持，讓我的碩士生涯不孤單。尤其要謝謝志弘學長、致平、孝齊與惠淇跟我一起並肩作戰的日子，沒有你們，我獨自奮戰將會很艱辛；謝謝美文學姐、雅旬學姐不厭其煩的叮嚀我，論文有哪些地方需要特別注意；還有謝謝跟我一起口試的夥伴們，包子學長、育融、孟凱與依瑪，一起完成論文通過口試的心情，那種感動的喜悅，到現在還是無法忘懷。除此之外，特別感謝崇寬，在我因為論文所帶來的壓力之下，而導致脾氣暴躁之際，願意當我的出氣筒，讓我抒發滿腹牢騷，謝謝你的體諒與支持。最後，我要感謝我的家人：爺爺、奶奶、爸、媽、以及弟弟，尤其是要謝謝我最愛的爸媽，沒有你們就不會有今天的我。這些年來你們總是默默的支持我的各種決定，讓我可以無憂無慮的做我想做的事。而當我遇到不順遂時，你們總是無條件的敞開溫暖的雙臂，給我強而有力的支持與安慰。謝謝你們，我好愛你們！. 雅茱於 2013/8/11 iii.

(5) 目錄附表目錄 .................................................................................................................. v 附圖目錄 ................................................................................................................. 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 ....................................................................................... 4. 第三節. 研究限制與範圍 ............................................................................ 4. 第二章. 文獻探討 ............................................................................................... 5. 第一節. 行動導覽系統 ................................................................................ 5. 第二節. 擴增實境 ...................................................................................... 11. 第三節. 行動擴增實境 .............................................................................. 22. 第三章. 研究方法 ............................................................................................. 25. 第一節. 研究設計 ..................................................................................... 25. 第二節. 研究工具 ..................................................................................... 26. 第三節. 系統規劃 ..................................................................................... 27. 第四節. 系統開發 ..................................................................................... 32. 第四章. 系統評估 ............................................................................................. 46. 第一節. 評估參與者.................................................................................. 46. 第二節. 實施步驟 ..................................................................................... 47. 第三節. 評估結果 ..................................................................................... 50. 第五章. 結論與建議 ......................................................................................... 57. 第一節. 結論 ............................................................................................. 57. 第二節. 建議 ............................................................................................. 59. 參考文獻 ................................................................................................................ 60 附錄一 .................................................................................................................... 66 附錄二 .................................................................................................................... 69. iv.

(6) 附表目錄. 表 3-1 第一版擴增實境校園導覽系統修改類別 .............................................. 40 表 3-2 第二版擴增實境校園導覽系統新增與修改類別 ................................... 43 表 3-3 第三版擴增實境校園導覽系統新增與修改類別 ................................... 45 表 4-1 熟悉師大校園程度情況(人數) ............................................................... 46 表 4-2 校園導覽活動內容 ................................................................................. 49 表 4-3 導覽有效性 ............................................................................................ 50 表 4-4 擴增實境效果......................................................................................... 51 表 4-5 其它功能之成效 ..................................................................................... 52 表 4-6 導覽系統之整體滿意度 ......................................................................... 53. v.

(7) 附圖目錄圖 2-1 擴增實境基礎架構 ................................................................................. 13 圖 2-2 ARToolKit 標記範例 ............................................................................... 14 圖 2-3 透過 QR-Code Generator 產生之範例.................................................... 15 圖 2-4 消費者與樂高擴增實境展示機互動 ...................................................... 16 圖 2-5 Layar 執行畫面 ....................................................................................... 16 圖 3-1 以設計研究法的修改與開發，作為系統開發時的一個循環 ............... 26 圖 3-2 系統架構圖 ............................................................................................ 29 圖 3-3 安裝 Android 相關開發套件流程圖........................................................ 32 圖 3-4 校園行動導覽系統呈現擴增實境的顯示方式....................................... 33 圖 3-5 計算出行動載具介面的視角 ................................................................. 34 圖 3-6 計算介面視角與 POI 的交點 ................................................................. 34 圖 3-7 求出 POI 點在介面上的相對位置 POI’ ................................................. 35 圖 3-8 圖書館舊照片疊合 ................................................................................. 36 圖 3-9 師大新發現 ............................................................................................ 37 圖 3-10 目前所在位置與紀錄路線 ................................................................... 37 圖 3-11 第一版修改後的起始頁面 .................................................................... 40 圖 3-12 第一版修改後的主畫面 ....................................................................... 41 圖 3-13 第一版修改後的建築物圖片與文字介紹 ............................................. 41 圖 3-14 第二版新增校園懷舊路線 ................................................................... 43 圖 3-15 第二版修改後主畫面校園地圖 ............................................................ 44 圖 3-16 第三版修改後主畫面校園地圖 ............................................................ 45 圖 4-1 校園導覽活動實施流程圖 ..................................................................... 48. vi.

(8) 第一章第一節. 緒論. 研究背景與動機. 現今許多旅遊景點利用行動載具的便利性，加上其整合聲音、紅外線傳輸、無線通訊與資料庫等技術，結合網際網路傳輸的立即性發展出行動導覽系統（蕭顯勝、黃向偉、洪琬諦，2007）。行動導覽系統擺脫過去厚重的書面資料，有組織的儲存及提供大量資訊，可作為大型展覽時的導覽應用。目前行動導覽系統除了被廣泛應用在博物館、美術館、圖書館與具歷史性的建築物等展覽外，也被大量應用在研討會及城市導覽等相關議題中（余少卿，2003）。順應資訊的蓬勃發展，行動載具的崛起，與定位系統及地理資訊系統的進步，就以空間性、行動性、延伸性與資料即時呈現性等優點，所發展出的行動導覽系統除了具備輕巧、攜帶便利、以及讓使用者自行操作導覽介面外，加上無線網路提供無所不在的特點，適時提供使用者目前所在位置的即時資訊、景點規劃、語音定點解說、行動定位、紀錄使用者活動以及交通資訊等功能。除此之外，由各國政府所提倡的法令中可看出行動定位服務的重要性，比如 Enhanced 911（許明聖、蔡翔宇、羅孟彥，2010）。因此，適地性定位服務技術對未來行動服務具有深遠的影響。其中導覽輔助系統中最常使用的定位方式為 GPS（Global Positioning System）全球衛星定位系統（莊智清、黃國興，2001）。GPS 系統利用訊號接收器與同步衛星間的相對位置，計算出使用者與衛星間的距離，求出使用者在地球上的正確位置。另外，可藉由行動載具的照相功能，結合 QR Code 辨識功能發展出行動導覽系統，其透過文字、聲音、圖像與簡易動畫等媒介，經由網路同步傳輸至行動載具以提供即時性互動介紹，分享旅遊景點的導覽資訊（李紀瑩、楊叔卿、鄭棋文，2010）。Huang（2005）提出利用電腦視覺技術來輔導參觀者與展場之間的互動，可提升參觀者對展場的融入感與互動性；在博物館的應用中， 1.

(9) 利用擴增實境技術來顯示文物資訊以增加參觀者的融入感。擴增實境是將真實世界的影像、素材和資料，與虛擬物件互相結合，產生複合式之影像，並透過追蹤與定位技術，可與人們產生良好的互動效果（鍾德煥， 2011）。擴增實境除了提供三度空間的圖像資訊與文字資料外，還可以提供最即時的資訊更新，與資源共享功能（Azuma et al., 2001）。擴增實境的技術目前已被運用於工作或日常生活中，如航海圖引導、機械維修說明、古蹟原貌恢復等 (Azuma et al., 2001; Vlahakis et al., 2002)。導遊機（Touring Machine）為佩帶式擴增實境校園導覽系統，使用者可透過頭戴式顯示器觀看校園 3D 虛擬旗標，同時又能夠從手持式顯示器得到文字介紹等相關資訊（Feiner et al., 1997）。MUSE「龐貝城考古導覽系統」讓使用者攜帶具無線傳輸與攝影機功能的手持式平板電腦在考古現場參觀移動，得到恢復後的全方位虛擬 3D 影像資訊（Scagliarini et al, 2001）。「圓明園數位重建之增強現實系統」包括定點式觀察系統、掌上型便攜系統、以及頭戴式漫遊系統，使遊客能在圓明園內不同景區，以多種型式來體驗數位圓明園風貌（王湧天、林倞、劉越、鄭偉， 2006）。上述「導遊機」、「龐貝城考古導覽系統」、以及「圓明園數位重建之增強現實系統」的擴增實境定位技術皆採用 GPS 與電子陀螺儀。然而，後兩者系統礙於衛星定位訊號精確度不足而產生品質上的落差，所以其提出的導覽系統仍然無法具體實現。因此，本研究擴增實境定位技術採用 GPS 定位與電子陀螺儀外，還加入調整 GPS 精準度範圍的功能，讓 GPS 定位不會有太大的誤差。然而，擴增實境技術需耗費大量的硬體運算資源，故想將擴增實境結合到導覽系統所面臨的技術挑戰，為顯示品質與裝置的運算能力。因此，從中取得適當的平衡，讓更多知識與影音視覺的創意能夠被實現，提高使用者參與互動的意願。使用者也能在導覽環境中，獲得更豐富的導覽資訊，藉以增強遊覽的可能性。擴增實境最普遍應用的領域為消費領域，包括：營銷、社交、娛樂以及定位等，但缺乏在學校應用的研究與使用案例（Johnson, Adams, & Cummins, 2012）。雖然許 2.

(10) 多學校也都有建置專屬的校園導覽系統，提供對校園環境快速查詢並找到相關處所的機制，也可以提供豐富的周邊生活訊息。但是，大部分學校的導覽系統並未將擴增實境技術結合於導覽上；少部分學校雖然有發展出擴增實境行動導覽系統，但皆未提供使用者建置景點機制服務，使用者只能被動的接收資訊，無法提供資訊給其它使用者並與之互動（Chou & ChanLin, 2012）。因此，本研究欲利用平板電腦做為呈現擴增實境輔助校園導覽的行動載具，除了將一般導覽系統所具備的目前位置的即時資訊、圖文介紹、交通資訊與景點規劃等功能加入外，還新增擴增實境導引功能、使用者參與建置景點功能、舊照片與建築物疊合功能、以及路徑紀錄等，希望發展一套適合校園使用的擴增實境校園行動導覽系統。. 3.

(11) 第二節. 研究目的. 本研究在探討發展一套擴增實境校園行動導覽系統，以協助造訪校園的人，在參訪校園時的使用，其具體目的如下：一、發展一套應用平板電腦的擴增實境校園行動導覽系統。本研究所發展之擴增實境校園行動導覽系統特性包括： 1.. 具有在真實環境下，疊合虛擬動態指標並導引使用者至校園景點。. 2.. 使用者可參與建置校園景點的動態指標，分享給其它使用者觀看。. 3.. 在真實環境下疊合舊照片，即時呈現建築物舊有的樣貌。. 4.. 記錄走過的路徑，讓使用者不易迷失方向與空間感。. 二、評估此擴增實境校園行動導覽系統的使用成效。本系統將以四個面向評估系統的成效，包括： 1.. 導覽有效性。. 2.. 擴增實境效果。. 3.. 其它功能成效。. 4.. 整體滿意度。. 第三節. 研究限制與範圍. 本研究的範圍如下：一、本研究採用 Android 系統的平板電腦作為使用者行動導覽的設備，其它行動載具不包含在本研究範圍內。二、本研究採用 GPS 定位作為擴增實境系統偵測與感知的方式，其它偵測方式不包含在本研究的範圍內。. 4.

(12) 第二章. 文獻探討. 本章分為三節，，分別從「行動導覽系統」、「擴增實境」、「行動擴增實境」三個面向進行探討。. 第一節. 行動導覽系統. 本節先是探討行動導覽、再探討行動導覽介面設計。. 壹、行動導覽「導覽」的涵義為：「引導觀覽，是藉由一種有意的安排，來施行引導活動，經由導覽人員來進行，以達到某種教育計劃性的目的（歐雅芳，2004）」。導覽是經由第三者的引導與傳達，所產生的認知與獲得豐富的資訊（吳麗玲，2000）。 Edson 與 Dean（1994）提出，導覽為讓事物更可以被理解，亦或給予事物特殊意義的過程，意義上有三：（1）解釋或澄清；（2）翻譯或說明；（3）依據個人對藝術方面的理解作表現或陳述。吳麗玲（2000)歸納導覽為一種溝通的過程、服務觀眾的方式並且具有教育性。導覽提供各種環境資訊，使觀眾可以順利找到特定的地方，以確保在參觀過程的舒適與安全，對參觀路線提供建議，使觀眾可自由參觀（Loomis,1987)。藉由導覽的引導，參觀者可對環境、展品等產生瞭解，以獲取更豐富的資訊以達教育目的。導覽解說具備有資訊、引導、教育、娛樂、宣傳、靈感啟發等六大功能（Grinder& McCoy,1985）。訊息本身並非解說，必須經過加工處理、詮釋與再組合才能成為解說（鐘昌修，2002）。吳佩修與朱斌妤（2001）提出解說為一種結合多種範疇的藝術，不管其展現的內容是科學、歷史、或建築上的。針對不同的遊客特性而建立不同的解說層次與內容，以配合不同興趣與年齡層次的遊客（鐘昌修，2002）。解說媒體係在解說過程，傳播者將其解 5.

(13) 說訊息傳遞給觀眾時所需的各種工具與方法（張明洵、林玥秀，2002）。行動導覽系統即為使用手持裝置作為解說媒體中介，與使用者進行引導、解釋、教育之過程。導覽能讓使用者瞭解整體空間資訊的情境，保持使用者方向感，避免方向錯亂並降低認知超載（Lai & Danaher,1999）。整體資訊的環境意象與體驗意象，是印象形成之基礎（Reynolds,1965)，為一種組織、選擇與解釋外在資訊產生內化的認知過程（Kolter&Armstrong,2000）。張明洵與林玥秀（1994）將解說媒體分為「人員導覽」與「非人員導覽」兩類，此為最常見之分類方式。人員導覽較沒有自主權；而非人員導覽（語音、書本、摺頁）呈現內容受到限制，無法提供遊客更深度性的知識與互動性（洪育忠、曾德宜、張碩毅、張筑婷，2008）。兩者互動性與媒體表現能力有其優缺點，無法完整滿足，也使行動導覽系統更具潛力（林寶暉，2010）。所謂行動導覽是指利用行動載具，透過無線傳輸工具（如無線基地台、紅外線輸或射頻辨識系統 RFID）、全球定位系統（GPS）等，讓使用者進行訊息擷取或接觸的動作（宋曜廷、張國恩、于文正，2006)。行動導覽普遍具備：高互動性、較佳的學習效果、整合多種媒介並可攜帶、小型化等的特色（杜慶真等人，2006）。AoKi 與 Woodruff （2000）提出目前行動導覽系統依照所能支援的導覽功能，分成三種「互動層次」，分別為： 1. 定位（location) 透過定位系統（如 GPS）先過濾一部分展品，然後提供使用者自由選擇那些展品的機會。 2. 接近（intimation) 當行動載具與展品在某個距離上，行動載具會根據 RFID 所傳送的訊息自動辨識展品物件，並根據辨識結果自動顯示展品相關資訊。 3. 選擇（selection）藉由手動方式，選擇所需觀看的物件相關資訊，透過瀏覽器與無線網 6.

(14) 路向伺服端擷取資料，或直接擷取內建於行動載具上的資料庫。 Aoki 與 Woodruff（2000）仍認為，結合這三層次的互動更能提供貼心服務。比如在兩層次的互動上，再加上電子羅盤對使用者面向或動作判斷，可以將展品的選擇縮到更小，但仍保有彈性選擇的空間。楊舜仁（2001）指出行動上網將帶給各種新的應用服務，而這些新的服務將整合語音、資訊、網際網路以及多媒體等不同類型的傳播資訊，並廣泛的應用於生活中的每項需求與機能。同時楊舜仁（2001）也歸納出行動上網包含三種特性：（1）任何地點、時間或方式可以完成任何作業；（2）行動消費與服務模式興起；（3）個人化行動媒體的資訊傳播威力。 2005 年 3 月，高雄縣鳥松濕地的行動導覽服務，提供戶外即時定位資訊，讓民眾在行動學習之中，能掌握所在位置與相關生物資訊。台南大學的蝴蝶生態研究中（Chu,Hwang,&Tsai,2010），每位小學生手持一台 PDA，並且外接 RFID 讀取器，以辨識標籤，取得提示訊息，藉由數位科技的附註，學習辨識蝴蝶的外觀、特徵，並瞭解其成長環境與生活習性。田舒情（2010）在情境感知是英語教學環境規劃研究中，引導國小生使用小筆電，主動探索進行英語學習活動，發現學生在行為層面及情感層面顯著高於傳統英語教學，有助於正面提升國小學生的英語學習態度。然而 RFID 成本價格高；小筆電搭配視訊鏡頭、實物教具、單字卡較適用於室內，不方便於室外進行。目前行動導覽在提昇遊客參訪的動機與情境效果有待加強，僅只於植入物件的影音、文字資料的行動導覽，在對於提升遊客的參訪動機或投入狀態方面的注意是有限的（楊舜雯，2012）。往往僅提供少數使用族群且固定的解說內容，無法即時反應具有時效性的事件與滿足使用者對於更深入或相關解說內容之需求，如臨時訊息發布、天候狀況等（朱子豪、張家豪、邱顯皓，2008）。在此狀況下，如果行動導覽內容仍著重文字資訊的補充，可能對提升參訪者動機與投入，難以產生太大的效果（宋曜廷等人，2006）。根據上述，行動導覽應具備三種特性較佳，分別為定位、接近與選擇。所選用的行動載具也需能減輕使用者使用時的負擔，應符合高度可攜性、個別化的特 7.

(15) 點。另外，需為使用者規劃一套情境路線，以增加使用者的參訪動機，資訊的呈現方式也需能與使用者互動之，並加入一些有時效性的功能，比方即時訊息、交通資訊，以滿足使用者更深入了解相關內容的需求。. 貳、行動導覽介面設計藉由智慧型手機、平板電腦等行動載具上網查詢資料漸漸普及化，許多線上網站也開始提供手機版的螢幕瀏覽介面，因此，如何將資料呈現在行動載具的介面上也成為重要的議題（林庭陞、楊叔卿，2008）。「人機介面」的意涵極為廣泛，可反映物與人之間的關係（莊振邦，2004）。使用性（Usability）是人機介面設計領域的重要議題，許多設計師和學者提出「對使用者友善」的設計概念，應以「人」為中心設計，亦即以「使用者」為出發點，必須建立在「可用、能用、實用、好用」的前提下，才能被大眾所接受（鐘秉華，2004）。由於行動裝置在瀏覽介面設計上，多以移植取代重新開發，讓個人電腦網頁常出現的資訊架構與瀏覽問題，也可能再行動網頁重新上演。Laurini 與 Servigne （2007）提出網頁選單常用的六種隱喻手法，為網頁服務適應小螢幕需求而改變其原先使用的呈現方式。隱喻乃對某種概念的認識轉而對另一事物的認識，也是選擇性的瞭解新事物（郭實渝，1997）。其中針對六種隱喻手法，分別在 PDA 或小型螢幕的行動載具介面上做其優缺點分析： 1. 純文字型於小螢幕介面上的純文字型的選單，若介面過長時，必須分割或以捲軸式選單呈現。 2. 文字搭配小圖示型此為以文字為主，小圖示為輔，若小圖示不易辨識，則可省去。 3. 虛擬城市型其介面隱喻，由於圖片不易於畫面空間使用，故不適用於小螢幕介面。 8.

(16) 4. 超連結地圖型（包含地圖、空照圖、街道圖等）若其隱喻具備可讀性時，仍可被使用，且取決於其大小，必要時將切割為較小的次地圖，另外，空照圖、街道圖亦等同。 5. 地鐵線路圖型如其解釋的文字具備可讀性時，仍可於小螢幕介面上使用，但如其結構太過複雜則需重新設計或改變。 6. 新聞雜誌型亦為必須具備可讀性才能在小螢幕上使用，但在此情況下其趣味性也會大大降低。當要在行動載具的小螢幕介面上呈現較為複雜的視覺資訊時，必須經過必要的變形或隱喻的改變，才能清楚傳達網頁資訊（林庭陞、楊叔卿，2008）。潘桂成（2006）定義地圖：「依據嚴謹之數學法則，將地表上之自然景觀和人文景觀透過科學和美學的綜合編繪方式，用適當的符號縮放於平面上之圖形，以表達地景在值或量上的區域差異、空間組織以及時間上流變。」。其編制上有四大特性：準確性、資料性、一致性與清晰性。地圖定位法若靈活巧妙運用時，更能表現出地圖地理資訊之區位價值，對教學或其它方面的地圖運用尤為重要（林庭陞、楊叔卿，2008）。在這些研究中也顯示出，路線指引與利用地圖標示使用者位置或學習情境中的空建概念傳達都扮演著重要的角色，可知地圖是呈現空間資訊最為有效的方法（黃婉婷、賴進貴, 2007）。Robinsonet al.（1984）提出用圖的三階段，分別為： 1.. 地圖閱讀（Map Reading）指理解製圖的人如何將環境中具體的地形地物以抽象的地圖表示之。. 2.. 地圖分析（Map Analysis）需能夠使用地圖來分析空間結構，判斷各個地圖的組成要素或相互關係，. 著重在預測、計算、量測、資料操縱及圖型的尋找。 9.

(17) 3.. 地圖詮釋（Map Interpretation）理解環境中所呈現出的空間特徵，並對其地理現象做合理的描述，並解. 釋地圖與真實環境之間的關聯性。祝勤捷（2001）提出網頁介面設計的原理分為四大類十二項，分別為第一類「畫面設計」，原則為使用熟悉的語言文字、螢幕畫面設計一致性、減少使用者的記憶負擔、簡潔美觀的畫面設計；第二類「內容」，原則為使用明確的項目與指引、階層式的資料呈現、增強系統的互動性、網站的權威性；第三類「使用支援」，原則為對使用者的支援、提高網站的有效及可靠性；第四類「傳輸與連結」，原則為合理的下載速度、定時得更新連結。儘管此原則主要應用於網頁上，但也有部分項目是用於行動載具介面導覽設計。綜合上述的看法，使用純文字導覽介面設計，無法充分讓使用者對整體環境有初步概觀的認識，因此，地圖在表達空間、分布、定位上扮演重要的角色，可藉助地圖學上地理資訊的表示方法，讓使用者更能清楚知道自身在環境空間的關係。除此之外，介面設計原則應螢幕畫面一致性、簡潔美觀、明確指引、階層式的呈現資料，並有互動性，以減輕使用者使用系統時的負擔。. 10.

(18) 第二節. 擴增實境. 本節探討擴增實境的定義、擴增實境的顯示技術、擴增實境的架構原理與辨識技術、擴增實境呈現方式、擴增實境的應用、以及應用擴增實境之優點。. 壹、擴增實境的定義擴增實境（Augmented Reality，簡稱 AR），又名增強現實，與擴增實境觀念相當類似的另一種技術稱為虛擬實境，但其中一項根本差異是：虛擬實境企圖取代現實的世界，而擴增實境則是在真實世界上擴增資訊（Feiner, 2002）。因此擴增實境其強調虛擬實境與真實世界作結合，預先在真實環境中設定好虛擬物件，讓使用者接收虛擬物件與真實環境合併後資訊，並讓使用者與擴增實境系統作互動，進而產生有別以往的使用經驗（Wernhuar & Kuo-Liang, 2012）。 Azuma（2004）認為擴增實境是虛擬實境的一種改革，並為擴增實境做出了以下的定義：（1）虛擬環境（Virtual Environment, VE）：完全取代真實世界；（2）擴增實境：使用者可在真實環境裡，看到虛擬物件與真實環境做結合；（3）支援真實環境，而非取代真實環境；（4）寫實的圖像不是主要的目標；（5）在真實的環境中，融合了真實與虛擬的物件（6）即時互動；（7）3D 定位；（8）允許所有感官（如聽覺、觸覺）；（9）不是只適用於頭戴式顯示器（Head-Mounted Display, HMD）；（10）包含移除部分真實環境的想法。擴增實境透過電腦系統所提供的資訊增加使用者對現實世界的感知力，將虛擬資訊應用到真實世界中，並將電腦所產生出的虛擬物件、場景或系統提示資訊疊加到真實場景裡，從而實現對現實的增強與豐富性。擴增實境提供使用者以最自然的瀏覽方式，當使用者所觀看的方向移動時，會隨使用者觀看方向而出現虛擬資訊，比起一般以滑鼠或鍵盤進行瀏覽的方式直接（陳坤淼等人，2007）。在擴增實境裡，使用者看到的世界是和電腦介面合而為一的（郭世文，2008）。如今，隨著智慧型手機的功能越來用強 11.

(19) 大，擴增實境開發門檻已降低，已從實驗室走出，並進入大眾生活中；擴增實境技術已在很多行業得到了應用，比方醫療、景觀、軍事、遊戲、機械維修等，因此，往後將會出現更多樣的擴增實境應用（Wernhuar & Kuo-Liang, 2012）。總而言之，擴增實境並非想完全取代真實環境，而是藉由在真實環境下添加虛擬物件，透過所添加的虛擬物件來豐富使用者對真實環境的感受，且擴增實境強調給使用者最直接的瀏覽方式，因此，所呈現的虛擬物件會隨著使用者視線移動而做出改變，大大降低使用者額外的瀏覽負擔。. 貳、擴增實境的顯示技術擴增實境是一種將虛擬影像疊合到現實環境中的科技，所以根據不同顯示技術主要可分為頭戴式、非頭戴式這兩大類（Azuma et al., 2001），以下針對此兩類個別分述：一、. 頭戴式顯示技術頭戴式顯示技術主要又分成視訊螢幕顯示器（Video See-through Head Mount. Display）與光學投射顯示器（Optical See-through Head Mount Display）這兩種（Azuma et al., 2001），其中在擴增實境應用上，又以視訊螢幕顯示方式較為廣泛使用。視訊螢幕顯示器是將攝影鏡頭與追蹤器架於頭戴式顯示器上，在透過追蹤器將所捕獲到的資訊影像傳回到主機電腦後，經過運算後再將攝影機所捕抓到的現實環境與電腦所產生的虛擬影像做堆疊，然後再將現實與虛擬的畫面同時顯現給使用者。光學投射顯示器則將未經壓縮過的真實世界影像直接透過鏡片讓使用者觀看，同時在鏡片上投射出虛擬影像，再配合追蹤器將使用者所面對的方位資訊捕獲後，便可將虛擬影像放置在正確位置上並與真實環境做疊合。. 12.

(20) 二、. 非頭戴式顯示技術非頭戴式顯示器較廣為使用且較具彈性的呈現方式為手持式裝置，其原理是. 透過攝影機擷取影像畫面後，將虛擬影像與真實環境作結合後顯示於電子屏幕上，原理大致與頭戴式視訊螢幕顯示技術相同，而唯一不同的地方在於使用者無需將其電子屏幕等設備戴在頭上，而是直接以手持方式拿在手上即可，此時手持式裝置所扮演的角色如同一面可看見虛擬物件的窗戶一樣，同時呈現真實與虛擬物件（Rekimoto&Ayatsuka, 2000），這也算是現今較為普遍的擴增實境顯示技術方式。近年來隨著平板電腦與智慧型手機的問世，其硬體裝置與效能也不斷提升，使得擴增實境的應用平台逐漸轉移到行動裝置上，加上行動裝置的機動性、互動性與方便性皆高，大大的提升擴增實境在行動裝置上的應用。. 參、擴增實境的架構原理與辨識技術 2005 年 Oliver Bimber 在著作書「Spatial Augmented Reality Merging Realand Virtual Worlds」中提出擴增實境的基礎架構原理，如圖 2-1 所示：. 圖 2-1 擴增實境基礎架構（Bimber & Raskar, 2005, p.6）由下往上分別為第一層追蹤和定位（Tracking and Registration）、顯示技術（Display Technology）以及三維立體繪圖（Rendering）的基礎部分；第二層人機互動機制（Interaction devices and techniques）、展示（Presentation）和創作（Authoring）；第三層應用程式，透過相關的擴增實境技術，將其結果呈現於使用者面前；最上層第四層則為終端使用者。以追蹤技術而言，可分為計算機視覺、全球定位系統（GPS）、羅盤等技術， 13.

(21) 其中計算機視覺為一種影像處理技術，稱為視覺追蹤。視覺追蹤可區分為使用特定標記進行解碼與無標記直接使用電腦視覺辨識運算特徵物這兩種方式；而定位技術主要以 GPS 與電子羅盤來追蹤資訊（鍾德煥，2011）。以下針對特定標記、無標記與 GPS 定位辨識技術分別概述之：一、特定標記辨識技術此為使用特定標記或圖形符號來進行辨識，將要辨識之實際物件放於電腦註冊過的特定圖形標記前，再透過攝影機進行影像辨識後，就能在特定標記上疊加所需呈現的虛擬物件內容，但如果標記圖形過遠，或照射角度不精準等，都將會影響辨識效果導致無法正確辨認圖形（張樹安，2011）。使用特定標記的現有開發平台工具有：ARToolKit、ARTag、QCARSDK 等。目前廣泛被使用的特定標記辨識系統是由 Kato 與 Billinghurst（1999）發展出並應用於 ARToolKit，它提供相對可靠且穩定的建置應用函式庫。除了函式庫所包含之標記外，也可依據需求自行設計標記圖示，為了更精準的追蹤定位，ARToolKit 官方使用標記如圖 2-2，其建議圖標設計原則如下： 1.. 於黑色正方形中間包含一個白色正方形。. 2.. 白色種方行內之圖案採黑、白、或彩色來設計。. 3.. 白色正方形內部圖案最好為非對稱設計。. 圖 2-2 ARToolKit 標記範例 QR Code（Quick Respones Code）為另一種常見標記，它是二維條碼的一種，為日本 Denso-Wave 公司於 1994 年發明。透過 QR-Code Generator 產生之 QR Code 14.

(22) 圖像，呈正方形，只有黑白兩色。於 3 個角落印有像「回」字的正方形圖案，主要用於幫助解碼軟體定位，如圖 2-3。. 圖 2-3 透過 QR-Code Generator 產生之範例. 二、無標記辨識技術無標記辨識技術乃不需採用特定標記、或圖形符號即可直覺經由電腦視覺進行辨識。Gordon 與 Lowe（2004）使用影像特徵進行識別追蹤，辨識方式為透過攝影機對準真實環境中欲辨識的物件，再經由電腦運算辨識出特徵物件後，進行虛擬物件疊加於真實環境中。關於無標記之特徵點辨識，常採用物件的紋理、顏色、輪廓等來進行辨識之條件，因此，需要耗費龐大硬體運算資源和資料庫（鍾德煥，2011）。目前使用無標記辨識的現有開發平台供具有：D’Fusion、Unifeye 等。其中 Unifeye 為德國 Metaio 公司之擴增實境開發套件，如圖 2-4 採用 Unifeye 為樂高設計擴增實境展示機，利用辨識相關圖樣標籤與消費者即時互動，將玩具的三圍物件呈現於展示機的螢幕上。. 15.

(23) 圖 2-4 消費者與樂高擴增實境展示機互動（Metaio 官方網站）. 三、GPS 與電子羅盤定位辨識方式 GPS 定位辨識技術為自動判斷使用者所在的方位後，在依據使用者相對位置進行方位的物件辨識與疊加，提供資訊讓使用者遊覽，此種方式稱為被動式導覽；與前述兩種辨識技術，較為適用於更遠與更廣的距離範圍。不過 GPS 會受到本身定位的誤差，而無法做出近距離精準的辨識，且於室內因有遮蔽物的關係，致使也無法使用 GPS 定位辨識。以 GPS 定位追蹤方式的開發工具有：Layar、 Wikitude 等。比如 Layar 藉由 GPS 追蹤定位後，可將附近各種不同的資訊呈現於行動載具的屏幕上，透過圖形化標識告知使用者，景點位置、距離、機能等，讓使用者就算位於遠處，也可初步了解景點資訊（張樹安，2011），如圖 2-5。. 圖 2-5 Layar 執行畫面 16.

(24) 經由上述追蹤技術發現，當使用者位於戶外時，直接以 GPS 定位技術來追蹤資訊的範圍較廣，將不受限於特定標記的使用範圍。且透過 GPS 定位技術追蹤，可省去行動載具耗費大量硬體計算資源與資料庫的效能，使行動載具的使用功效可以更為快速，使用者使用起來也較為流暢。另外，目前 GPS 定位技術提供使用者瀏覽資訊皆屬於被動式導覽。因此，本研究將新增讓使用者也能參與建置景點的主動式導覽系統，讓使用者也能分享一些特色景點供其它使用者瀏覽。. 肆、擴增實境呈現方式擴增實境有瀏覽式介面、3D 立體擴增實境介面、觸碰式介面、觸碰式擴增實境介面等四種呈現方式，分別為（Billinghurst et al.,2001）： 1. 瀏覽式（Browsing Interfaces）：此運用方式主要為較單純的接收資訊，如 Rekimoto（1998）利用擴增實境技術，為圖書館書目檢索或說明瀏覽。 2. 3D 立體擴增實境（3D Interfaces）：此方法運用較創新的呈現技巧，其利用實際人類操作上的經驗轉換到 3D 立體擴增實境上，可以清楚了解使用上是否合適（Bimber,2000）。 3. 觸碰式（Tangible Interfaces）：將真實物體與實體結合來產生互動操作，如此一來，可以讓使用者對原本物體的操作感官有不同的體認方式（Piper,2002）。 4. 投影觸碰式（Tangible）：此為運用投影在物體上對與被擷取物體來產生即時互動。. 17.

(25) 伍、擴增實境的應用在教育方面的應用，美國華盛頓州立大學的人機介面實驗室所進行的先導型計畫所開發的魔法書（Billinghurst et al., 2001）。為最早將 AR 技術應用於教育上，學生透過頭戴式擴增實境系統，進行書上立體物件或動畫的閱覽。魔法書包括完整的故事，閱讀者帶著顯示器，經由顯示裝置打開眼前的魔法書內容，故事內容就像是從書中走出來一樣。擴增實境同時也應用於跨學科的領域，如化學科，在一個虛擬的擴增實境所模擬出的環境災難中，讓學生使用手持設備，探索物理空間並接收一些資訊，進而從中發現線索達到學習；地理科，讓學生在一本擴增實境的地球科學教科書中，藉由將圖像疊加的製圖方式，讓學生在互動與理解方面有更好的選擇；歷史科，學生參觀被標記的實際位置資訊時，學生可觀看一些過去的歷史圖像與資訊，藉以增強他們的理解力（Johnson, Smith, Willis, Levine, &Haywood,2011）。Zorzal 和 Kirner（2005）設計一套英文字母拼字遊戲，在許多英文字母的圖卡裡，必須拼湊出正確的英文單字。倘若正確的拼湊出英文單字，系統會在圖卡上顯示所對應的虛擬物體，在此具吸引力的學習環境中，能刺激使用的互動及問題解決的能力。在導覽方面的應用，Tarng 和 Ou（2012）提出了一套擴增實境校園蝴蝶生態學習系統，是在校園中建置一個虛擬的蝴蝶生態環境，讓學生觀察蝴蝶生命週期與他們的成長過程，學生也可餵食虛擬的蝴蝶，與觀察環境中植物的授粉情形。此系統不但便於管理蝴蝶的生態環境且也能補足蝴蝶種類和數量，讓學生不會受限於空間與環境的影響，又能增強學習興趣與動機，竟而瞭解學習到蝴蝶的生命週期與成長過程。擴增實境蝴蝶生態系統的特色是：（1）首先，學生各自拿一台智慧型手機，智慧型手機營幕會出現一個 3D 虛擬的綠色房間；（2）在 3D 虛擬場景中，可看到蝴蝶在飛行，且每隻蝴蝶也可改變飛行方向；（3）透過 GPS 獲取學生目前的位置，回傳資訊回資料庫；（4）學生可透過螢幕觀察蝴蝶，並觸碰螢幕餵食蝴蝶。Touring Machine「導遊機」為佩帶式擴增實境校園導覽系統，使 18.

(26) 用者可透過頭戴式顯示器觀看校園 3D 虛擬的旗標，同時又能夠從手持式顯示器得到文字介紹等相關資訊（Feiner et al., 1997）。MUSE「龐貝城考古導覽系統」讓使用者攜帶具無線傳輸與攝影機功能的手持式平板電腦在考古現場參觀移動，得到假設恢復後的全方位虛擬 3D 影像資訊（ Scagliarini et al., 2001 ）。 ARCHEOGUIDE 「擴增實境文化遺產當地導覽」（ Augmented Reality-based Cultural Heritage On-site Guide）其計畫為導覽希臘著名景點－奧林匹亞神廟，透過無線傳輸與穿戴式的擴增實境系統，期望讓來到當地的使用者可以體驗客製化的專屬空間旅遊經驗（Gleue et al., 2001; Vlahakis et al., 2002）。「圓明園數位重建之增強現實系統」包括定點式觀察系統、掌上型便攜系統、以及頭戴式漫遊系統，使遊客能在圓明園內不同景區，以多種型式來體驗數位圓明園風貌（王湧天等人， 2006）。後三者「龐貝城考古導覽系統」、「擴增實境文化遺產當地導覽」、以及「圓明園數位重建之增強現實系統」皆礙於受限於衛星定位訊號精確度不足，而產生品質上的落差，所以其提出的導覽系統仍然無法具體實現。而國內導覽方面的應用，有莊順凱（2006）建構的擴增實境系統，結合概念圖與擴增實境的應用，設計出溪谷中各個生物間攝食的一套學習系統，其研究探討學習成效、動機與系統使用性評估。郭其鋼與鄭泰昇（2008）的研究報告中，說明開發兩套建築與城市戶外擴增實境導覽技術為例，並以「古蹟導覽系統」與「隱形招牌」進行實測，運用 RF-based 無線射頻技術，並開發影像辨識軟體來提升整體裝置定位上的精準度，除了精確快速定位、以及系統成本低外，同時更降低系統對戶外空間環境的干擾與衝擊，且具備有視覺環境衝擊輕之較佳效果；但最後仍未提出確實可具體實現的軟體研究成果。輔仁大學利用 Layar 工具，實作一個擴增實境行動校園導覽系統。由於傳統的路標、導覽或者透過網路的環境指引，無法建構個人情境感知學習環境，因此，運用擴增實境技術以使用者為中心、視覺化操作，以及即時回饋等特性，將一些資訊隱藏於真實環境中供學生利用，建立情境感知學習環境並協助學生學習。結果顯示，所有使用者使用過該系 19.

(27) 統後，都給予正面回饋。另外，有些使用者提出一些建議，認為可以增加社交網路功能於該系統內，因此社交網路功能將會是一個新的設計趨勢來反映出未來使用者的需求模式（Chou & ChanLin, 2012）。綜合此節文獻探討，在導覽方面應用擴增實境的呈現方式可增加使用者的對環境的融入感。並透過直覺性的觸碰行動載具螢幕來與之互動，讓使用者隨著自我步調觀看虛擬物件資訊。另外，礙於導覽系統使用 GPS 定位時，可能受限於衛星訊號精確度不足而產生品質上的落差，所以本研究將會增加讓使用者自行調整 GPS 精準度範圍的設定。. 陸、應用擴增實境在教育上之優點擴增實境可說是一種新型態的學習工具，且它具有極大的發展空間（Asai, Kobayashi,&Kondo, 2005）。Billinghurst（2003）提出擴增實境應用的三種益處：應用擴增實境當工具，讓使用者在真實與虛擬環境下，與虛擬物件做互動；應用擴增實境當工具，可以延伸出新的學習策略與教學模式，在此學習模式下，對從沒使用過電腦經驗的使用者也可以進行；應用擴增實境當工具，能讓使用者沉浸在學習內容裡，讓學習不再是面對靜態的圖片與文字。 Woods 等人（2004）提出使用擴增實境來進行教學的好處： 1. 有一些學生在使用擴增實境教材時，會感到興奮並喜歡其擴增實境教材。 2. 學習空間相關概念時，使用擴增實境教材具有良好的成效，像是傳統教科書難以呈現太陽和地球間的距離，以及地球與其它星球的距離，此時，若使用擴增實境技術來顯示，就能清楚呈現其相對應間的距離關係。 3. 想要看到火山爆發的自然景觀有時需要等待一段時間才能看見，利用動畫效果的擴增實境教材，將即時呈現出這種一般難以看到的自然景觀。 4. 可用 3D 圖例呈現教材，並且可以操作它與之互動。 20.

(28) 5. 利用擴增實境的方式教學，能讓學生很自然地建立起他們的先備知識。根據上述得知擴增實境應用在教育上的好處有：能讓學生能容易操作與討論。聽覺與視覺的感官刺激，令學生感到興奮，引發學習熱忱，提升學習效率與動機，進而改變其先備知識。. 21.

(29) 第三節. 行動擴增實境. 本節先是探討行動擴增實境的定義，接著探討行動擴增實境的應用。. 壹、行動擴增實境的定義根據 Papagiannakis 與 Magnenat-Thalmann（2008）的研究報告提到，縱使擴增實境一詞在過去意味具有行動性，但實際上並非如此，直到 1997 年 Feiner 發展出第一台戶外行動擴增實境系統「導航機」後，行動擴增實境才正式被定義。行動擴增實境定義為：（1）在現實環境中結合了真實與虛擬的物件；（2）在行動模式中即時運作；（3）虛擬與真實物件互相配合；（4）擴增的虛擬資訊以三維和動態的樣式呈現（如：互動性、可變形的虛擬人物）（Papagiannakis et al., 2008）。目前行動擴增實境內容疊合方式可分為三類： 1.. 使用特定圖形標籤進行影像辨識與定位疊合（Billinghurst et al., 2008）。. 2.. 使用實際景物影像辨識與定位疊合（Liarokapis,Brujic-Okretic,&Papakonstantinou, 2006）。. 3.. 使用 GPS 定位與數位羅盤定向，透過投影計算攝影鏡頭內已被 GeoTagged 的訊息內容，並針對其相對位置依不同遠近程度調整大小，再疊合內容（Lee &Sumiya, 2009）。. 根據 Fong 等人（2008）的研究報告裡提到，目前的技術已經具備了良好的精準定位，干擾大大降低以及減少大型的運算設備，並能將位置的誤差控制在 10 公分左右，所以非常適合將擴增實境技術運用戶外行動導覽上。在 Wang 等人（2009）的研究中也提到，GPS 和 INS（Inertial Navigation System）已成為不可或缺的定位方式，它提供了更精準的定位資訊以及穩定性。. 22.

(30) 貳、行動擴增實境的應用行動擴增實境的應用有：文化遺產、導航與尋路、擴增虛擬人物、教育與遊戲、協同組裝與設計、工業維護與檢查等（Papagiannakis et al., 2008）。根據上述類型，以下將各別予以說明舉例：一、文化遺產擴增實境行動系統可以利用 3D 模型重現文化古蹟以前的樣貌，這是我們不曾見過的珍貴影像，這種隨著時間流逝掉的文物古蹟，讓後代人很難再見到它們往日的風采，如今透過擴增實境行動系統可以利用影像處理技術疊合到真實的古蹟文物上，讓我們看見古人生活的情景與原貌。. 二、導航與尋路利用擴增實境的導航裝置，顯示出使用者目前的所在位置，以及規劃路徑等方式，引導使用者順利抵達目的地，並提供一些相關的資訊供使用者使用查閱。. 三、擴增虛擬人物擴增實境中，以虛擬的人物利用情境的方式，以及真實比例大小和不用追蹤標記的位置定位 AR 系統，這樣很容易吸引使用者的注意力與興趣。其中在 Schmeil 與 Broll（2007）就為擴增實境行動校園導覽系統中，設立一位虛擬人物，此為虛擬人物負責解說與導覽，讓使用者可以藉由跟虛擬人物的互動提問，來探索學校的環境與歷史。. 四、教育與遊戲近期擴增實境技術廣泛的應用與遊戲設計中，Schroeder（2009）就利用 Layar 這套軟體設計出一套手機遊戲，其結合現實環境中物理位置的在地化搜尋，將在網路上蒐尋到的各種訊息延伸至日常生活中。 23.

(31) 五、協同組裝與設計協同組裝在擴增實境的應用中，主要是在真實環境中擴增，比如在工業設計領域中，利用學生的同儕學習，一起合作設計出一套模型出來。. 六、工業維護與檢查利用擴增實境技術可以利集的給與工作人員指示，亦可以使用在維修及檢察的工作上，如隱藏在牆後的管線，可以透過擴增實境技術讓工作人員可以不用破壞牆壁即可看到管線配置，竟而精確的維修管線。綜合上述行動擴增實境的應用，我們可以設計一套有規劃性的導覽系統引導使用者認識周遭環境，不論是認識該地的歷史文化、抑或讓使用者快速了解當地的環境，都可結合擴增實境技術達到讓使用者身歷其境的體驗，並加入一般導覽系統既有的功能，像是顯示使用者目前的所在位置、提供路徑指引讓使用者順利抵達目標的外，也可增加像是可以看穿建築物內部的透視圖，讓使用者立即精確知道建築物內部所有處室的所在樓層位置，這樣才能達到行動擴增實境的應用功效。. 24.

(32) 第三章. 研究方法. 根據本研究目的，針對本研究的研究設計、研究工具、系統規劃及系統開發分節加以說明如下。. 第一節. 研究設計. 本研究為瞭解擴增實境行動導覽系統的使用成效，特針對校園不熟悉的使用者為研究對象，研究主要是採用設計研究法（design-based research），輔以問卷調查。設計研究法為真實環境下，研究者與實踐者合作，透過具系統化與反覆的探討、分析、設計、發展以及應用，最後形成設計原則（Wang &Hannafin, 2005）。其目的在於，透過這些形成性設計原則建立理論，而教育研究中的理論和實踐結合的有效途徑為「設計」，把最初的設計加以實施，並檢測實施後的效果，根據來自實施後的回饋，不斷進行系統化的檢驗與修正設計，使得理論能超越特定環境脈絡的限制，並排除所有缺點，形成更可靠而有效的設計，最終產生一組特定的理論構念（翁穎哲、譚克平，2008；梁文鑫、余勝泉，2006；蘇漢哲，2008）。設計研究法有三個主要目的：（1）開發成功的設計或教育革新。（2）提升理論，即提升對學習和認知的理解，以形成設計原則。（3）教學實踐，解決教學問題並促進教學發展（楊南昌，2007）。根據設計研究法，將擴增實境行動導覽系統以開發與修改兩步驟進行探討，如圖 3-1 所示。最後，使用者進行系統實施，歷時 30 分鐘並填寫問卷。. 25.

(33) 圖 3-1 以設計研究法的修改與開發，作為系統開發時的一個循環. 第二節. 研究工具. 本研究的工具有以下兩項：一、擴增實境校園行動導覽系統（見第三章第四節）：使用者透過本系統，可以導引使用者利用動態指標找到校園景點，與上傳分享校園中相關照片與心得，讓使用者更進一步瞭解臺灣師範大學的校園環境。. 二、擴增實境校園行動導覽系統之使用者問卷（見附錄一）：於使用者操作校園行動導覽系統後，會請使用者在系統上填寫問卷，以蒐集使用者對於擴增實境校園行動導覽系統的建議，作為未來系統修改的依據。. 26.

(34) 第三節. 系統規劃. 本節針對系統設計之需求分析、系統功能架構與擴增實境功能規劃，茲分述如下。. 壹、系統設計之需求分析為進行系統功能之規畫，研究者針對文獻上的擴增實境行動導覽系統進行探討，並整理歸納系統設計之需求，以作為系統規畫的參考。文獻指出的導覽系統問題，包括導覽系統並未同時具備三種互動層次、導覽介面以純文字居多、導覽系統未具與使用者互動的特點、以及導覽系統沒有規畫一套景點行程，導致使用者無明顯遊覽的興趣等。根據這些遭遇的問題提出解決的方法如下。一、導覽系統並未同時具備三種互動層次一般行動導覽系統只運用一至兩種互動層次的特性。如此一來，導覽系統將無法全面顧及整個導覽的完整性與實用性。若所規畫的系統能夠同時具備導覽系統三種互動層次特性，包括定位、接近、與選擇，應可以提高導覽系統的實用性與完整性。. 二、導覽介面以純文字居多市面上的行動導覽系統，均以純文字導引介面指引使用者到達目的地，如此一來，使用者無法充分對整體環境有初步概觀的認識。因此，行動導覽介面的設計應採用地圖導引的方式，讓使用者更能清楚知道自身在環境空間的關係。另外，介面設計的螢幕畫面應一致性、簡潔美觀、清楚明確、並以階層式的方式呈現資料，以減輕使用者使用導覽系統時的負擔。. 27.

(35) 三、導覽系統未具與使用者互動的特點一般擴增實境行動導覽系統，只能夠提供目的地的動態物件導覽，而無法讓使用者自行與環境互動，新增動態物件。因此，為能夠讓使用者與環境互動，透過直覺性的觸碰行動載具螢幕，讓使用者隨著自我步調調整所添加的虛擬物件資訊，這將大大提升使用者對導覽系統的使用興趣。. 四、導覽系統沒有規畫一套景點行程一般行動導覽系統只能將使用者引導到正確的目的地，但卻未明確告知使用者抵達旅遊景點後，該如何進行遊覽。如此一來，更無法規劃一套具有知性樂趣的景點行程。若能設計一套有規劃性的導覽系統引導使用者認識周遭環境，不論是認識該地的歷史文化、抑或讓使用者快速了解當地的環境，增加使用者參訪動機，及導覽系統的豐富性。. 貳、系統功能架構根據系統設計需求分析及前章文獻探討歸納之結果，系統功能除具備擴增實境動態地標、多功能選單、圖文介紹外，本導覽系統還將 Google 地圖改為校園地圖，解決 Google 無法在校園內導引的缺失。另外，本導覽系統還新增了一些特色功能，如參與建置景點、舊照片疊合、路徑紀錄等，期望讓使用者有不一樣的使用經驗。因此，本導覽系統所欲開發的系統架構依功能需求，包括校園導覽、認識校園、師大新發現、與歷程記錄四個部分，其相關功能如圖 3-2 所示，以下根據各功能內容說明如下。. 28.

(36) 圖 3-2 系統架構圖 29.

(37) 一、校園導覽校園導覽功能使用 GPS 訊號對使用者位置進行定位，使用者可透過平板電腦定位所在位置後，可經由點選介面上的建築物地圖、快速搜尋、或者自動顯示附近 100 公尺內的建築物或地景等，接著系統會以擴增實境的方式將建築物（地景）的方位顯示在平板電腦的介面上，待使用者點擊後，將會出現該建築物（地景）的介紹，另外使用者也可透過歷程記錄，了解自己所在的位置與曾走過的路徑。. 二、認識校園規劃的認識校園中將包含與該建築物（地景）相關的照片疊合、建築物（地景）文字介紹與影片、懷舊路線規劃、以及周邊動態公車資訊等。一旦使用者到達建築物（地景）附近，系統會主動跳出照片與該地相關影片，而擴增實境功能是讓使用者藉由該建築物（地景）的照片與現今的場景作疊合，讓使用者與現實環境和照片中的樣貌做對照，並透過影片介紹來加深使用者對校園建築物有更深一層的認識，並提供懷舊路線的古蹟巡禮供使用者參訪。系統提供周邊動態公車資訊的功能，主要是讓對校園附近不熟的使用者可以更貼近學校，除了傳達學校的處所介紹，特色建築外，還增加了附近公車動態訊息供使用者查詢。. 三、師大新發現系統提供心得分享區功能，讓使用者可隨地記錄自己欣賞的環境或有趣的事物等，透過拍照書寫自己心得後分享給其它使用者知道，也可透過此功能了解其它使用者對校園的體認為何，並與之互動互相交流。. 四、歷程記錄系統提供歷程記錄功能，可自動記錄使用者所經過的地點與行走路線，以及顯示目 30.

(38) 前使用者所在的位置。此功能將協助使用者清楚掌握目前的所在地以及到過哪些地方，另外也可將行經路線作清除。. 叁、擴增實境功能規劃本系統規劃的擴增實境功能是搭配平板電腦內建的 GPS 與攝影鏡頭功能，除了一般的擴增實境動態指標之外，並額外增加照片疊合與影片來達到實境擴增的效果，茲分述如下。一、擴增實境動態指標本系統的擴增實境動態指標是透過校園導覽功能或心得分享功能的 GPS 定位來實現，使用者可藉由點擊平板電腦上的建築物地圖、亦或直接搜尋附近範圍 100 公尺內的動態指標，此時系統會在介面上出現與景點相關的建築物（地景）供使用者點擊，例如使用者想前往某建築物裡的某個處所，但卻不清楚該處所是位於何棟建築物內時，透過快速搜尋功能後，系統會明確指出該處所位於哪棟建築物內，使用者再透過增廣此建築物的位置，順利找到所欲前往的地方，達到適地性的使用經驗。. 二、擴增實境影像本系統的規劃是透過平板電腦來顯示符合擴增實境性質的影像資訊，包含照片與影片這兩種型態。擴增實境的特性是讓使用者能同時看到真實環境與虛擬物件相互疊合的效果，因此擴增實境的照片與影片都規畫在系統功能的認識校園中，讓使用者在到達指定地點後，系統將自動跳出該虛擬資訊，讓使用者更能親身體會從建築物外觀所看不見的透視感，並從中掌握每棟建築物之包含哪些處所，而建築物本身，也並非只是我們外表所見那樣簡單，而是富有歷史意義與其它涵義的結合體。. 31.

(39) 第四節. 系統開發. 本研究使用的平板電腦為 ASUS Eee Pad Transformer Prime TF101，作業系統 Android 3.0，內建儲存空間 16GB，RAM 記憶體 1GB，Wi-Fi/WLAN 上網，Bluetooth、 USB 傳輸，內建相機 500 萬畫素。本研究的校園導覽系統係使用 Eclipse 為開發工具。系統提供的功能主要包含校園導覽、認識校園、師大新發現、與歷程記錄，以下針對相關功能開發與實作規畫，並以臺灣師範大學之校園環境為例說明如下。. 壹、Android 開發環境建置本研究是在 Windows 7 作業系統環境下，開發擴增實境校園行動導覽系統。首先，需在 Windows 7 作業系統下，安裝 Android 開發環境，安裝的開發套件分別為： . Java 開發工具包（Java Development Kit, JDK）. . Android 軟體開發工具包（Software Development Kit, SDK）. . Eclipse 整合開發環境（Integrated Development Environment, IDE）. . Eclipse 專用之 Android 開發工具外掛（ADT Plugin for Eclipse）. 安裝流程圖如下，安裝好四個開發套件後，完成開發環境建置。. 圖 3-3 安裝 Android 相關開發套件流程圖 32.

(40) 貳、導覽系統功能此小節包含擴增實境行動導覽的顯示方式、自動跳出擴增實境舊照片疊合與影片賞析、上傳照片與心得、目前位置與路線紀錄等，分別為導覽系統的相關功能做技術上細節之描述，以下分別詳述之。一、擴增實境行動導覽的顯示方式在校園導覽的主畫面中，點選主畫面各建築物後，經導覽系統擷取 GPS 的定位，獲得建築物與使用者之間的相對位置，並透過運算方式，以擴增實境呈現在導覽系統的介面中，導引使用者至指定的目的地。以下針對如何在導覽介面上呈現擴增實境的效果，分別針對計算介面視角、計算介面視角與景點（POI）間的交點、以及顯示在介面上的 POI’說明之。. 圖 3-4 校園行動導覽系統呈現擴增實境的顯示方式. 33.

(41) 1.計算介面的視角從 GPS 獲得使用者目前位置，再由行動載具內建的方向感測器獲得相機向量後，藉由公式 u1=c1-c2；u2=c1+c2；v1=c1+c2；v2=-c1+c2，求出 u 向量與 v 向量，此為行動載具介面可以呈現的最大視角。. 圖 3-5 計算出行動載具介面的視角. 2.計算介面視角與景點（POI）間的交集 .  x  x0   u1   v1       y  y0 u 2  v 2 . . 讓 u = v =1，POI 座標定義為（x，y），帶入公式       1 ，解出  、  、  。. 圖 3-6 計算介面視角與 POI 的交點 34. 與.

(42) 3.顯示出現在介面上的 POI’  x'.  x0 .  x  x0 . 定義介面上的 POI’座標為（x’，y’），帶入         。  求出（x’，y’）  y '  y 0   y  y0 求出（x’，y’）後，帶入公式  x '  x 0  u1   y '  y 0  u 2  ，將可求出 POI 點顯 2. 2. 示在介面上之相對位置 POI’。其中，如果  <0 或  <0，則 POI’將不會呈現在螢幕介面上。. 圖 3-7 求出 POI 點在介面上的相對位置 POI’. 二、自動跳出擴增實境舊照片疊合與影片賞析擴增實境導覽系統，預先在校園懷舊景點上設定各景點的座標位置，待系統擷取使用者所在位置的 GPS 後，系統自動判定與先前已設定好的景點座標是否一致。一致的情況下，系統自動跳出該景點的舊照片與相關影片，此時使用者可以藉由調整照片的大小，將舊照片與真實環境場景做疊合，並透過影片賞析，瞭解各景點的歷史變遷與其樣貌的改變。. 35.

(43) 圖 3-8 圖書館舊照片疊合. 三、師大新發現當使用者使用師大新發現的功能，透過校園無線網路連接至學校所提供的 FTP，並同時擷取使用者目前 GPS 的位置後，連同使用者所拍攝的照片、書寫的文字、以及時間存入 FTP。使用者可以透過擴增實境的顯示方式，讀取其它使用者所分享的資訊。另外，將資訊呈現的範圍限制在 100 公尺內，避免過多的資訊影響使用者導覽感官。其目的為讓使用者不僅被動接收系統所提供的景點，也能實際參與建置系統景點，達到系統與使用者間的雙向交流。. 36.

(44) 圖 3-9 師大新發現. 四、目前位置與路線紀錄導覽系統會隨時抓取使用者目前的 GPS 位置，藉藍點呈現使用者目前的所在位置。當使用者移動位置後，導覽系統透過擷取 GPS 位置來偵測使用者的移動，根據重新取得新的 GPS 位置資訊後，以紅線紀錄使用者曾經走過的景點。此功能可以讓使用者在迷失方位時，透過顯示目前所在位置取得空間感、再透過走過路徑重新建構方向感，以避免一再重複走過的地方。. 圖 3-10 目前所在位置與紀錄路線 37.

(45) 叁、擴增實境功能設計此小節為針對擴增實境功能如何設計，分為四部分說明，包含實境的圖、虛擬物件、疊合原理、以及擴增實境呈現之條件及情境，以下分別詳述之。一、實境的圖透過平板電腦的攝影鏡頭顯示器擷取真實環境的影像，真實環境的呈現方式為三維座標，與攝影鏡頭的座標系統不同，所以在這之間會有座標轉換的動作。而此兩個座標系統之間的關係，可以透過旋轉與位移來轉換。最後呈現於平板電腦的畫面是經過系統多重座標轉換後而得的。. 二、虛擬物件虛擬物件的圖的呈現原理，為導覽系統預先設定每個景點的座標位置，接著系統將每個景點座標位置所對應的景點名稱儲存在陣列裡，同時計算使用者所在位置與每個景點相距之變數，待後續導覽系統擷取相關資訊時將之呈現。. 三、疊合原理對擴增實境來說，不可或缺的為三維影像技術。所謂三維影像技術不僅只是用來呈現真實度與複雜度，還包括追蹤與定位技術。利用追蹤技術將物件從影像中分離出來，並透過幾何變換矩陣取得物件所在位置的座標，最後將虛擬物件繪製在追蹤物件的座標位置上，之後才能在現實環境中達到與虛擬物件疊合，並即時互動之效果。. 四、擴增實境呈現之條件及情境透過平板電腦擷取目前所在位置的 GPS 座標，經過 Android 作業系統將所在位置的 GPS 座標轉換成地圖上的二維座標後，與原先預設在系統上的景點座標相對應，如符合使用者位置範圍 100 公尺內、或為使用者所選取之景點時，系統將於平板電腦畫面上呈現該景點座標的虛擬物件，接著透過此擴增實境資訊來引導使用者到達景點位置。 38.

(46) 肆、擴增實境行動導覽系統修改針對使用者所提出的建議，研究者對導覽系統做了第一版的修改，如表 3-1。一、第一版擴增實境校園行動導覽系統修改研究者找一群使用者做初期系統測試，這些使用者在使用導覽系統後，分別提出一些建議，研究者再根據這些建議進行導覽系統的修改。這些使用者在使用導覽系統後，認為在起始畫面、主畫面、建築物圖文介紹、以及舊照片景點疊合等方面，皆有很大的改善空間。因此，研究者針對這幾點建議，進行導覽系統的第一版修改，期望導覽系統可以更加完善。以下針對起始頁面、主畫面、圖文等修改加以說明，共四個部分： 1. 起始頁面開啟導覽系統的起始頁面，由於完全無文字提示，會讓使用者誤以為系統未裝載完畢，導致使用者不知何時能進入導覽系統的主畫面。修改後的起始頁面如圖 3-11。 2. 主畫面在主畫面的設計上，由於按鈕不夠明顯，會讓使用者忽視存在性，而導致操作時出現一些問題。修改後，按鈕放大且增加顏色來增強視覺顯目感，如圖 3-12。 3. 建築物相關圖文介紹由於每棟建築物所介紹圖片過小，會讓使用者無心瀏覽所放置的圖片介紹。修改後，圖片放大化，並置入一小段文字說明，增強使用者觀賞與了解所賦予圖片的意義，如圖 3-13。 4. 增加圖書館 AR 景點為了讓使用者更加了解校園環境歷史變遷，特別新增擴增實境的照片疊合與影片介紹的圖書館景點。. 39.

(47) 表 3-1 第一版擴增實境校園導覽系統修改類別類別. 功能名稱. 修改功能說明. 起始畫面. 起始畫面. 點擊畫面文字提示. 主畫面顯示項目. 校園地圖導引. 導覽項目. 圖片文字介紹. 將原先「引導指標」換成「GO」，並加入顏色圖片放大化、圖片加入文字說明. 導覽項目. 照片疊合與影片賞析. 新增圖書館新舊照片疊合的景點. 圖 3-11 第一版修改後的起始頁面. 40.

(48) 圖 3-12 第一版修改後的主畫面. 圖 3-13 第一版修改後的建築物圖片與文字介紹. 41.

(49) 二、第二版擴增實境校園行動導覽系統修改研究者在某次座談會針對導覽系統的各項功能提出討論，並針對在場的人所提供的意見回饋進行導覽系統的修改。有部分人認為導覽系統在使用目的上，需考量每位使用者使用導覽系統的目的性，比如新生想了解洽公的流程，亦或訪客想了解學校的歷史文化等。因此，本研究針對導覽系統研擬規劃出學校懷舊路線，以此作為明確使用導覽系統的目的。另一部分的人認為導覽系統的主畫面太過鮮豔，容易造成使用者操作系統時，無法專注在研究者想給使用者的資訊上。因此，研究者針對這些人所提出的意見回饋進行導覽系統的修改，期許導覽系統的使用目的性能更為聚焦。以下分別針對導覽系統所修改的五部分，加以說明之。第二版新增與修改功能，如表 3-2。 1. 校園懷舊路線為了讓使用者有明確的目的來使用擴增實境校園行動導覽系統，特別規劃一條校園懷舊路線。當使用者抵達路線上的景點位置時，系統將自動跳出舊照片與影片資訊，讓使用者透過舊照片的疊合，瞭解建築物在時空背景的改變下，其樣貌有何不同的變化，如圖 3-14。 2. 主畫面色彩簡單化由於主畫面的校園地圖色彩太過豐富，容易讓使用者產生疲勞感，亦或導致使用者不知重點何在。並根據少即是多的介面設計原理，將系統主畫面簡化其色彩鮮豔度，如圖 3-15。 3. 快速搜尋快速搜尋的確認按鈕，原本為「GO」，其與校園地圖的確認鍵「GO」有所衝突，故修改快速搜尋的確認按鈕為「搜尋」，如圖 3-15。 4. 目前位置為讓使用者目前所在位置更直覺性，修改使用者目前位置到主畫面上，讓使用者一開始導覽時，就能明確知道自己的所在位置，如圖 3-15。. 42.

(50) 5. 師大新發現將原本「心得分享區」的功能改名為「師大新發現」。同時，為了避免此功能在同一畫面呈現太多使用者所上傳分享的資訊，修改其顯示範圍為距離使用者 100 公尺內的分享資訊。. 表 3-2 第二版擴增實境校園導覽系統新增與修改類別類別. 功能名稱. 修改功能說明. 主畫面顯示項目主畫面顯示項目主畫面顯示項目. 說明校園地圖快速搜尋. 新增規劃校園懷舊路線校園地圖簡化色彩使用度確認按鈕改為搜尋. 主畫面顯示項目. 紀錄顯示. 主畫面直接顯示使用者目前所在位置. 主畫面顯示項目. 心得分享區. 更名為師大新發現. 主畫面顯示項目. 師大新發現. 設定顯示範圍 0~100 公尺內. 圖 3-14 第二版新增校園懷舊路線. 43.

(51) 圖 3-15 第二版修改後主畫面校園地圖. 44.

(52) 三、第三版擴增實境校園行動導覽系統修改研究者經與資訊教育專家實地使用擴增實境校園行動導覽系統後，資訊教育專家認為導覽系統介面必需統一化、所有介面按鈕需一致放於右上角、並增加取消鍵，藉以明確告知使用者確認或取消的動作。另外，為了讓使用者便於使用導覽系統，特定新增一個「首頁」功能鍵，便於使用者切換到最先一開始的初始化模式，避免先前使用者點選過的功能鍵，在未取消其功能時，而影響到使用者後續進行導覽的困惱。第三版新增與修改功能，如表 3-3。. 表 3-3 第三版擴增實境校園導覽系統新增與修改類別類別. 功能名稱. 修改功能說明. 主畫面顯示項目主畫面顯示項目主畫面顯示項目. 首頁快速搜尋問卷. 增加初始化功能鍵增加取消鍵不宜放於功能列，刪除. 導覽項目. 介面按鈕. 所有按鈕統一放於右上角. 圖 3-16 第三版修改後主畫面校園地圖 45.

(53) 第四章. 系統評估. 本章敘述使用者實地測試擴增實境校園行動導覽系統問卷結果，以下針對評估參與者、實施步驟、以及評估結果三部分做說明。. 第一節. 評估參與者. 研究者直接走訪校園內外，尋找系統評估對象，先詢問系統評估對象是否為本校職員或學生，一旦非校內人士時，進一步再詢問是否有興趣使用導覽系統參訪校園，最後共尋得男女合計 30 位的系統評估對象。部分系統評估對象雖非校內人士，但他們經常造訪師大校園，對於師大校園建築物歷史十分有興趣；另一部分則是師大新生，趁著暑假期間悠遊師大校園，藉以認識師大校園環境。表 4-1 熟悉師大校園程度中，熟悉人數為 6 位，此部分為經常造訪師大的校外人士表示，他們因為經常造訪師大校園，所以他們一致認為熟悉校園環境。因此，這些人也被納入為系統評估對象。表 4-1 為造訪師大校園的系統評估對象，其對師大校園熟悉程度的情況。. 表 4-1 熟悉師大校園程度情況(人數) 熟悉師大校園程度. 非常熟悉. 熟悉. 普通. 不熟悉. 非常不熟悉. 合計. 人數. 0. 6. 2. 14. 8. 30. 46.