三維像真建物模型擴增實境之簡易開發方案

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(1)國立臺灣師範大學地理學系第四十五屆碩士論文. 三維像真建物模型擴增實境之簡易開發方案. 指導教授：王聖鐸研究生：黃昱森. 中華民國一○五年八月.

(2) 摘要建物是現代人類生活環境中的重要組成，更是人類文化重要的元素之一。在自然環境變遷及都市迅速發展的雙重影響下，建物更新十分頻繁，有些藉由現地活化再利用（如：華山 1914 文創園區）或移地保存（如：林安泰古厝）方式得以幸運保存，但有更多建物消逝在都市更新的快速洪流中。過去只能從老照片中回憶建物的蛛絲馬跡，但隨著攝影測量密匹配技術及光達測量技術的發展，三維像真建物模型(Photo-realistic Building Model)成為建物的最佳數位典藏方案。然而，攝影測量軟體或光達儀器均非一般使用者所能負擔，因此出現像 Trimble SketchUp 這類簡易三維建模工具，大幅降低了模型產製的門檻，數位化保存建物不再只能依賴專業人士。目前這些三維模型大多只能以虛擬實境的方式（如：Google Earth 或 Skyline）呈現在電腦螢幕中，不容易看出與真實環境中的互動關係，因此本文引入擴增實境技術，使典藏的三維像真建物模型能夠在真實環境中風華再現。本文主要提出開發門檻相對低的三維像真建物模型之擴增實境展示的簡易開發方案，並設計展示系統驗證其可行性，並修正流程中所產生的問題，而後推廣至一群測試者，透過測試者回饋以驗證其簡易程度，最後評估整個流程帶來的效益。關鍵字：三維像真建物模型、擴增實境、虛擬實境。. I.

(3) Abstract Buildings are an indispensable part of the modern human living environment, and more important, one of the essential elements of culture heritage. Under the dual influence of environmental changes and urban development, urban renewals are frequently planned. Some unused buildings were luckily being repurposed or planned for ex-situ conservation, but there were more being demolished without proper discussion. In the past, buildings were archived by photos, but with the development of dense matching and LiDAR surveying, 3D Photo-realistic Building Model became the best solution for digital archive of buildings. However, photogrammetric software and LiDAR are not affordable for average users. The birth of simple modeling tools like Trimble SketchUp significantly reduced the difficulty of producing 3D building models and also enabled average users to do so. Currently, 3D building models are usually displayed by the way of Virtual Reality like Google Earth or Skyline. The interactivity of 3D building models and the real world is not well implemented. Therefore, with the help of Augmented Reality (AR) technology, the purpose of this study was to integrate 3D building models into the real world. Another aim was to greatly reduce the cost and simplify the process of producing 3D Photorealistic Models, converting models to specific formats in demand, and designing geosensed AR environment to display the models by proposing a solution. Then an AR system was implemented to prove that the solution is feasible. Finally, the solution was evaluated and examined by applying to a selected group of subjects in the study.. Keywords: 3D Photo-realistic Building Model, Augmented Reality, Virtual Reality. II.

(4) 目錄摘要............................................................................................................................ I 目錄......................................................................................................................... III 圖目錄.......................................................................................................................V 表目錄.................................................................................................................. VIII 第 1 章緒論............................................................................................................. 1 1-1 研究動機與目的 ........................................................................................... 1 1-2 研究議題 ....................................................................................................... 3 1-3 三維模型現地還原文獻與理論 ................................................................... 4 1-3-1 擴增實境技術應用於文化遺產 ............................................................ 4 1-3-2 三維建模 ................................................................................................ 8 1-3-3 虛擬實境 ...............................................................................................11 1-3-4 擴增實境 .............................................................................................. 13 第 2 章研究方法................................................................................................... 16 2-1 採用軟體工具與限制 ................................................................................. 16 2-1-1 軟體分類 .............................................................................................. 16 2-1-2 工具選擇與互操作性分析 .................................................................. 17 2-2 研究流程 ..................................................................................................... 22 2-3 研究範圍 ..................................................................................................... 25 第 3 章簡易方案設計與實作............................................................................... 27 3-1 方案實驗設計 ............................................................................................. 27 3-2 三維建模 ..................................................................................................... 28 3-3 模型格式與轉換 ......................................................................................... 35 3-3-1 模型格式 .............................................................................................. 36 3-3-2 模型轉換 .............................................................................................. 38 III.

(5) 3-4 擴增實境展示設計 ..................................................................................... 40 3-5 方案修正與測試結果 ................................................................................. 46 3-5-1 流程細節修正 ...................................................................................... 46 3-5-2 擴增實境展示測試結果 ...................................................................... 50 第 4 章實施測試與測試者回饋........................................................................... 56 4-1 測試者背景與施測內容 ............................................................................. 56 4-2 成果展示 ..................................................................................................... 58 4-3 測試者方案效果評估 ................................................................................. 67 4-4 測試者意見回饋 ......................................................................................... 69 4-5 問題討論 ..................................................................................................... 71 第 5 章結論與建議............................................................................................... 73 5-1 結論 ............................................................................................................. 73 5-2 後續研究建議 ............................................................................................. 74 參考文獻................................................................................................................. 76 附錄一、使用者背景調查問卷…………………………………………………..79 附錄二、使用者回饋問卷………………………………………………………..81 附錄三、三維模型格式轉換講義………………………………………………..82 附錄四、擴增實境環境設計講義…………………………………………….….84 謝辭…………………………………………………………………………….….87. IV.

(6) 圖目錄圖 1-1 室內平面圖 ................................................................................................. 2 圖 1-2 擴增實境展示前後 ..................................................................................... 6 圖 1-3 建立於現實環境上的中柱廊展示 ............................................................. 6 圖 1-4 擴增實境展示歷史事件場景 ..................................................................... 7 圖 1-5 測驗使用者學習效果的問題選取畫面 ..................................................... 7 圖 1-6 模型分類 ..................................................................................................... 8 圖 1-7 (a)假材質、(b)擬真相片材質及(c)像真材質 ........................................... 10 圖 1-8 擴增實境的有標辨識 ............................................................................... 14 圖 1-9 擴增實境的無標辨識 ............................................................................... 15 圖 2-1 Autodesk 3ds Max 操作畫面 .................................................................... 18 圖 2-2 Trimble SketchUp 操作畫面 ..................................................................... 19 圖 2-3 工具互操作性分析結果 ........................................................................... 22 圖 2-4 研究流程圖 ............................................................................................... 24 圖 2-5 國立臺灣師範大學校本部配置圖 ............................................................ 26 圖 3-1 現地拍攝照片 ........................................................................................... 30 圖 3-2 SketchUp 位置工具 ................................................................................... 31 圖 3-3 建立建物幾何輪廓描述 ........................................................................... 31 圖 3-4 萃取建物材質紋理 ................................................................................... 32. V.

(7) 圖 3-5 建物材質紋理貼合 ................................................................................... 33 圖 3-6 模型細部編修 ........................................................................................... 34 圖 3-7 模型完成 ................................................................................................... 34 圖 3-8 選擇建物模型其中一角點與原點重合 ................................................... 35 圖 3-9 COLLADA 格式之建物模型的部分檔案內容 ........................................ 37 圖 3-10 FBX 格式以 ASCII 描述之建物模型的部分檔案內容 ......................... 38 圖 3-11 Autodesk FBX Converter 的格式轉換介面............................................. 39 圖 3-12 Wikitude 3D Encoder 的格式轉換介面 .................................................. 40 圖 3-13 Wikitude 擴增實境環境軟體開發套件架構........................................... 41 圖 3-14 平面座標查詢工具 ................................................................................. 42 圖 3-15 高程座標查詢工具 ................................................................................. 43 圖 3-16 設定模型座標 ......................................................................................... 43 圖 3-17 發佈設計完成之擴增實境應用程式至手機 ......................................... 44 圖 3-18 多目標展點 ............................................................................................. 45 圖 3-19 透過設定範圍限制顯示數量 ................................................................. 46 圖 3-20 模型閃爍狀況 ......................................................................................... 48 圖 3-21 材質無法顯示的情況 ............................................................................. 48 圖 3-22 模型材質圖片修正示意 ......................................................................... 49 圖 3-23 模型錯置情況 ......................................................................................... 50 圖 3-24 以文字編輯軟體修正模型定義 ............................................................. 50 VI.

(8) 圖 3-25 測試現地 ................................................................................................. 52 圖 3-26 確認定位功能開啟 ................................................................................. 52 圖 3-27 等待定位完成 ......................................................................................... 53 圖 3-28 指引建物目標 ......................................................................................... 53 圖 3-29 模型顯示於現地上 ................................................................................. 54 圖 3-30 模型遮蔽測試 ......................................................................................... 54 圖 3-31 裝置定位誤差 .......................................................................................... 55 圖 4-1 測試者現地測試擴增實境展示之一 ....................................................... 57 圖 4-2 測試者實地測試擴增實境展示之二 ....................................................... 58 圖 4-3 方案難易度長條圖 ................................................................................... 68 圖 4-4 方案經教學後之難易度長條圖 ............................................................... 68 圖 4-5 使用意願長條圖 ....................................................................................... 69. VII.

(9) 表目錄表 2-1 建模工具比較 ........................................................................................... 19 表 2-2 擴增實境解決方案比較 ........................................................................... 21 表 3-1 實驗裝置規格表 ....................................................................................... 28 表 4-1 測試者回饋量表統計 ............................................................................... 67. VIII.

(10) 第1章緒論 1-1 研究動機與目的建物是現代人類生活環境中的一部份，更是人類文化重要的組成之一。在快速都市化的發展下，建物更新是每天都會上演的戲碼，人們以現地或藉由博物館的方式保存歷史建物，因此那些成為古蹟之名的有些得以幸運保存下來，但有更多的是在不斷更新的都市地貌下，成為歷史洪流中的漂流物而逝去。除了實體保存的方式以外，也可透過素描圖、設計圖或室內平面圖（圖 1-1）保存建物資料，然而二維資料有些不易讀，也必須仰賴讀者想像以還原實體，相對而言，三維資料來的直觀許多。隨著測量技術、測量儀器發展，三維建物像真模型是最佳數位典藏(Digital Archive)方案之一，數位典藏將實體資料數位化並儲存，以期能達永久保存之效，然而測量儀器昂貴，艱難的技術也不是一般人能上手，又如光達所產生的點雲資料量龐大，未經處理也難以使用，三維像真建物(3D PhotoRealistic Building Model)正好解決了資料量龐大的問題，也具有直觀的特性，且其製作方式可實現實體建物的數位化，利用歷史資料及完整的建物歷史相片組即可製成模型，但其真實性仍受限於資訊科技的虛擬環境中。另一方面，虛擬與現實的交錯變換是小說或電影情節中不乏出現的主題之一，在電腦科技已趨發達的今日，擴增實境(Augmented Reality, AR)技術正好是建構「虛擬」與「現實」橋樑的解決方案。擴增實境可以根據周遭環境，將相對應的外加資訊整合在現實中，進而擴展資訊的侷限性，因此將虛擬環境中的三維像真建物模型以擴增實境技術整合至現實環境中，便成補足其感官體驗的真實性，同時也能達成數位典藏資料的再利用。從現實建物製成三維像真建物模型，再利用擴增實境技術展示的過程，當中包 1.

(11) 含三維建模、模型轉換與擴增實境環境開發，這些流程分屬於不同軟體環境技術，使其專業門檻相對高，有些工具價格昂貴(Autodesk 3ds Max、SolidWorks、Layar 等)，免費的方案也缺乏成套的完整流程，使用者必須具備一定的技術背景，以將各種零碎的方法拼湊而成。為了解決上述問題，本研究目的為：. 1.. 建物之數位典藏與實地重現：現實環境中的建物更迭快速，許多歷史建物未經妥善規劃即遭移除，在建物未知能否以古蹟方式現地或實體保存的情況下，本研究希望藉由數位典藏達成實體建物保存之效，並使其能原地重現以實現其其臨場感與真實體驗。. 2.. 簡易開發方案：本研究希望建立一完整的方案，從建物的三維建模、模型處理、到擴增實境展示，已不復存在的歷史建物若有其歷史資料及完整相片組，也可經此流程再製而重現於擴增實境環境中，但現有的工具環境所要求的開發能力及生產成本，對使用者並不友善，因此除了建立完整方案之外，更進一步確保其具有相對低的技術及成本（至少無需購買額外軟體工具），使有意以此方案保存建物的使用者（如教育人員、文史工作者、資訊志工）不被艱難的技術與高昂的成本拒於門外。. 圖 1-1 室內平面圖 2.

(12) 1-2 研究議題 1. 簡易開發：簡易開發可以拆成三個部分檢視，一是工具所花費的成本高低，二是所需求的技術難易程度。第一部份包含了軟硬體成本，例如電腦、行動與攝影裝置、測量儀器與各式專業軟體等等；第二部分可以用整個流程的學習時間來評估其技術門檻。綜合以上，以低成本的角度切入時，最佳狀況是使用者不須花費額外金錢即能完成，且學習過程所需時間越短越好，操作過程也儘可能減短時間。 2. 三維建真建物模型與產製：建物需經過軟體工具轉換的過程才可成為三維建物模型，為了保存完整的建物外觀，必須採用具有真實材質的三維像真建物模型，且模型必須有完整的幾何形狀、正確的尺寸與真實外觀材質，才能用以還原真實建物。傳統的三維建模必須使用昂貴的測量儀器或委託測繪，再加上專業的工具技術處理，因此本研究將採用低成本與簡易工具完成建模。 3. 模型格式的選擇轉換：不同建模軟體工具生產出的模型格式有所不同，而不同擴增實境環境所支援的模型格式也不盡相同，所以必須考慮模型格式的處理。模型格式處理最直接的方式是針對目標格式輸出，但當所用軟體不知原所需格式時就需要加入轉換的步驟。直接針對目標格式製作，必須考量工具的易用性，而轉換的過程中，可能導致輸出結果模型幾何不完整，或者材質出現缺漏，因此選擇合適的格式與轉換工具即是研究議題之一。 3.

(13) 4. 擴增實境工具選擇與展示設計：將完成的三維像真建物模型透過運算裝置整合顯示於真實世界，需仰賴擴增實境工具的協助，除了擴增實境開發環境的成本低以外，也要考量是否支援三維模型、其支援的裝置是否適合用作擴增實境的載體、是否支援像真材質、而工具提供的顯示方式是否適合展示建物。為了正確展示三維像真建物模型，展示時必須考量顯示形狀、大小、材質、位置，以及顯示的時機，並且隨使用者位置不同而調整，因此在擴增實境中，必須處理定義模型正確的形狀、大小參數以及材質，以及如何根據環境變化決定顯示的時機與狀況。. 1-3 三維模型現地還原文獻與理論本研究的目的牽涉到將實體建物數位化成三維建物模型，再利用數位媒介將之於現地顯示的過程，本節首先探討文化遺產中應用擴增實境的案例，再分析本研究背後的理論基礎，包含三維建模：實體建物到數位模型的過程；虛擬實境：顯示多維圖形與場景的技術，主要為電腦圖學的範疇；擴增實境：電腦如何處理現實世界場景（電腦視覺）與擴增實境的相關技術。 1-3-1 擴增實境技術應用於文化遺產 Vlahakis et al. (2001) 提出 ARCHEOGUIDE 計畫，該計畫由歐盟所贊助，內容為基於擴增實境的文化遺產現地導覽，該計畫開發的系統原型以位於希臘奧林匹亞的一座考古遺址為例，利用擴增實境技術重現歷史遺跡，偵測使用者視角與位置即時顯示影像（圖 1-2），目標對象是兼顧專業及一般人所設計，並希望應用在考古研究、教育、多媒體展示及文化旅遊。系統元件設計以可攜性作為考量，所採用的裝置為筆記型電腦及掌上型電腦，並透過頭戴式裝置展示，在當時不管是行動化 4.

(14) 的概念或是行動擴增實境裝置都算相當先進，但光是處理三維模型的幾何運算就相當吃力，尚未考慮模型材質。. Verykokou, Ioannidis, and Kontogianni (2014)的研究著重在擴增實境的三維視覺化，案例是位於希臘雅典古安哥拉的中柱廊，該研究著重在基於攝影測量的演算法設計（裝置內方位元素與即時場景平面畫面的對應關係）並結合現地特徵辨識以建立顯示基準，而非採用地理位置作為辨識條件，希望使用者僅透過裝置的相機視角觀測遺跡現址，即可在螢幕畫面上的相對應位置投影出古時樣貌的模型（圖 1-3）。 Liestøl (2014) 開發了一套以 SitSim 1 平台為基礎的義大利亞壁古道(Appian Way)的跨時空行動擴增實境故事學習系統，利用智慧型手機作為展示介面，選定一公里長的路段供用使用者體驗，系統包含了 3 個腳本：西元前 71 年，斯巴達克斯奴隸起意戰爭的戰敗與結束；西元前 49 年，凱撒率軍佔領羅馬，打敗龐貝，集大權於一身，實行獨裁統治；西元 320 年，羅馬帝國在基督教傳入前的全盛時期；使用者在現地可以自行選擇，當中包含各個地點的解說，也可體會古時環境結合當時發生的事件場景（圖 1-4），在整個故事走完後提供問題測試使用者的學習效果與記憶（圖 1-5），此系統以歷史重現為主，主要是建立在事件與場景的還原。文化遺產擴增實境系統開發的重點在於內容的展示安排與使用者訊息回饋，而辨識演算法設計的重點在於展示環境的影像辨識，本研究除了現地還原之外，在模型的外觀上不僅要求幾何正確還強調材質的真實性，並著墨於整個方案的簡易化，希望即使沒有專業背景卻想完成整個任務的使用者也能達成目的。. 1. http://sitsim.no/ 5.

(15) 圖 1-2 擴增實境展示前後 (Vlahakis et al., 2001). 圖 1-3 建立於現實環境上的中柱廊展示 (Verykokou et al., 2014). 6.

(16) 圖 1-4 擴增實境展示歷史事件場景 (Liestøl, 2014). 圖 1-5 測驗使用者學習效果的問題選取畫面 (Liestøl, 2014). 7.

(17) 1-3-2 三維建模三維建模是以數學方式來表示三維空間中的物體，由於二維影像缺乏直接的三維資訊，例如在二維的地形圖上，建物以線段表示並加上樓層數註記，不易以視覺還原原始樣貌，加上有些建物屋頂非平面，更加不易單以建物輪廓及樓層數還原。此外，二維影像中的建物細部結構常常受周圍的人造物或自然環境所干擾，因此三維建模具有其重要性(Grün, 2000)，而在大型科技公司如 Google, Microsoft 和 Apple 的推波助瀾下，未來幾年內商業化的三維建模的產製也將迅速增加(Zhu et al., 2015)。模型式建物萃取依其採取的建物模型及採取策略而有所不同，以採用模型而言可分為(Grün, 2000)：多面體(Polyhedral Models)（圖 1-6 (a)）、稜柱體(Prismatic Models) （圖 1-6 (b)）、參數化多面體(Parameterized Polyhedral Models) （圖 1-6 (c)）以及 CSG 模型(CSG Models) （圖 1-6 (d)） (王聖鐸, 2005)。. 圖 1-6 模型分類 (王聖鐸, 2005) 8.

(18) 多面體模型以邊界表示法(Boundary Representation, B-Rep)描述物體，理論上可完整表達任何形狀建物(Brenner, 1999; Grün, 2000)。多面體模型在模擬建物的外型上最具彈性與外觀近似，但無法針對個別物件提供語意說明，也無法以通用模型來表示各種建物。也因其彈性的特性，在描述複雜建物時較為繁瑣。稜柱體模型由傳統二維製圖概念衍生而來，允許建物在任一處地表面上重建，利用平面多邊形拉高一固定高度以表示三維建物，但是建物的牆壁必須垂直且建物的屋頂必須為水平面(Haala, Brenner, & Stätter, 1997; Rau & Chen, 2001)。稜柱體可視為多面體的一種特例，底面的描述可為任意的多邊形，雖然外型受到約制，但缺乏詳細分類，實際上使用時將受限於其屋頂為平面的特性。參數化多面體模型預先定義固定的多面體，透過設定參數值以調整模型的外形及位置(Shufelt, 1999; Vosselman & Veldhuis, 1999)。固定的外形可以是常見的建築外觀，例如矩形房屋、坡頂型房屋、尖頂房屋、T 型房屋及 L 型房屋。定義的模型外觀參數值包含長、寬、高，姿態參數如位置及方位。設定參數的過程也同時完成物件的約制條件，容易經由簡單的操作、指定參數而表示建物外形。 CSG 模型預先定義一系列的簡單物件外形，依布林運算組合一組基本元件來表示一個複合物件(Gülch, Müller, Labe, & Ragia, 1998; Lang & Forstner, 1996; Tseng & Wang, 2002)。基本元件是一種預先定義的簡單形狀實體，例如矩形體、圓柱體、三角柱等等，帶有一些轉換參數，可以調整其比例尺、旋轉及平移，以表達建物的空間幾何性質，元件之間利用布林運算的聯集(Union, ∪)、交集(Intersection, ∩)、及差集(Difference,－)來結合。一棟建物可用 CSG-tree 來表示其組成狀態，每個節點(Node)具有分支(Branch)以運算子連接兩個元件，最末端的葉子(Leaf)是基本元件。 CSG 模型同時保持一定的彈性與模型外觀的約制，因此常受採用。建物模型的貼面材質(Textures)（圖 1-7）以像真程度可分為假材質(Pseudo 9.

(19) Textures)、擬真相片材質(Realistic Textures)及像真材質(Photo-Realistic Textures)，像真程度增加，真實性越高，材質的複雜程度與建置成本也隨之增加。假材質以虛擬材質模擬建物模型表面，常用於各類模擬軟體，例如 Maxis 工作室的《SimCity》及《The Sims》系列。擬真相片材質利用相片來模擬建物模型表面，利用不是該建物的材質來重複貼上，或者利用該建物的某部分材質代表全部，因此雖為真實相片，但不屬於該建物的外觀材質。採用擬真相片材質可以加速產生建物外觀，同時保有一些程度的真實體驗，因此受一些 3D 建物模型平台所採用，例如中華電信的 Show Taiwan 平台。像真材質則是利用建物外觀的真實相片，可以完整表達建物的貼面真實性，但製作成本及時間較高。. 圖 1-7 (a)假材質、(b)擬真相片材質及(c)像真材質建模依其資料來源主要有航空攝影測量、近景攝影測量、光達點雲、數值地形圖及建物成果圖。航空攝影測量及近景攝影測量屬於影像式建模(Image-based)，相 10.

(20) 較於光達資料，影像式建模的主要優點（尤其是近景攝影測量）在於測量儀器成本較低、移動性高、以及建模的三維資訊正確性不會因為物件大小而改變，但建模過程中相較於光達點雲建模，仍無法避免人工介入(Remondino & El-Hakim, 2006)。建模方式依照自動化程度可分為全自動化(Fully Automated)、半自動化(SemiAutomated)及手動(Manual)。一般而言在討論相同建模方法的比較上，建模效率隨著自動化程度增加而提高，但模型正確程度則相對下降，亦即：全自動化效率最高，但準確率低；半自動化則犧牲一些效率，加入人工判視以換取準確率，進而平衡效率與準確率；手動效率最低，但準確率高，適用於小範圍的建模。 1-3-3 虛擬實境虛擬實境是指一種不需要在現實中移動使用者，就能夠將使用者的體驗轉移到其他環境的一種技術。虛擬實境透過模擬使用者的感官體驗，建構出虛擬環境 (Virtual Environment)以達成目的，虛擬環境通常是由特定的電腦模式所模擬而成，理論上可以創造出任何能被人類感知的環境(Thalmann & Thalmann, 1999)。虛擬實境主要概念是「沉浸」(Immersion)，沉浸概念的最終目標希望使用者成為虛擬環境的一部份，而不是虛擬環境只是使用者現實生活中的一環。數化－以數位格式表示現實世界中的物件的過程－可以算是虛擬實境中較早的一種表現方式，然其沉浸的程度相當低，沉浸的程度可以透過使用者區分現實與虛擬環境的難易度來評斷(Astheimer et al., 1994)，Slater and Usoh (1994)強調沉浸虛擬環境中的存在感(Presence)，讓使用者在虛擬環境中得以在心理狀態上感到置身其中，因此虛擬實境所模擬出的虛擬環境的真實性是重要的考量之一。虛擬實境技術利用電腦建構虛擬的真實環境，其中最直覺的感官之一是視覺，建構視覺環境為電腦圖學的一種發展(Jayaram, Connacher, & Lyons, 1997)。電腦圖學領域主要研究如何以電腦運算模式顯示與模擬視覺化物件，包含視覺空間座標 11.

(21) 處理、幾何、動畫及渲染(Rendering)。為了增加視覺環境的真實性，必須模擬真實的視覺體驗，因此模擬時需要考量到視點(Viewpoint)與場景(Scene)(Micusik & Kosecka, 2009)。視點可視為相機姿態(Camera Angle)，由使用者的視覺角度出發，決定使用者當下環境中物件的距離遠近、顯示與否以及顯示大小；場景則是環境中的物件配置安排。在電腦中以三維表示物件並顯示於輸出裝置上的過程稱為三維電腦繪圖(3Dimensional Computer Graphics)，可分為三維建模、場景化與動畫及三維渲染三個階段。三維建模是以數學方式來表示三維空間中的物體，包含物件模型的幾何外觀，以及在繪圖坐標系中的空間位置描述；場景化與動畫則是將三維模型設定於場景中的位置與大小，以及模型在場景中的移動變化；三維渲染則是將三維物件以顯示於螢幕上的必要處理，中間牽涉到三維模型轉換成螢幕上的平面二維影像，如何處理光影的變化角度、材質的顯示及影像品質等。虛擬實境技術中的虛擬環境正好提供了三維地理資訊系統(3-Dimensional Geographic Information System, 3D GIS)的發展空間，使用者因此能夠進入三維環境中，瀏覽規劃中的建物，並觀察改變中的地景(Germs, Van Maren, Verbree, & Jansen, 1999)。為了使三維地理資訊系統在虛擬環境中具有良好的互動性與體驗，Verbree, Maren, Germs, Jansen, and Kraak (1999)提出了規劃檢視(Plan View)、模型檢視(Model View)及世界檢視(World View)三種檢視模式：規劃檢視只顯示二維的模型輪廓，使用者從正上方向下俯瞰如同觀看平面地圖一般；模型檢視則以二維半(2.5D)的方式，固定視角顯示模型幾何外觀，此模式處理模型遠近大小的尺寸調整，但不含模型材質；世界檢視則是全三維的真實體驗，將使用者完全置身於三維虛擬環境空間，此時模型具有完整的像真材質。虛擬實境技術透過創造各式的體驗讓使用者得以不必實體移動至其他空間，即可跳脫現實環境進入截然不同的體驗之中，隨著科技的發展與概念的改進也使得 12.

(22) 虛擬環境更為逼真。然而有些體驗如三維地理資訊系統中的建物模型與都市地景，並非完全跳脫現實，此時與現實的脫離性就成為了一種限制。 1-3-4 擴增實境現實與虛擬之間的模糊地帶可以視為兩個端點間的連續變化 (Milgram, Takemura, Utsumi, & Kishino, 1995)，此模糊地帶稱為虛實混合體(Mixed Reality)，擴增實境即是連續變化中的某個區段。擴增實境被視為是虛擬環境中的一種變體 (Azuma, 1997)，相較於虛擬實境，擴增實境保留了現實世界的完整性，將虛擬的物件以整合的方式加入現實環境之中，使其不侷限在虛擬環境，而具有現實世界的擴充能力，同時保留了虛擬物件的彈性。擴增實境除了利用三維電腦繪圖技術來處理虛擬物件的顯示，還透過電腦視覺 (Computer Vision)技術取得現實環境中的資訊，電腦視覺利用影像裝置辨識現實世界，換言之即是研究如何讓電腦有效地「看」世界(林彥宇, 2015)，電腦視覺的任務包含獲取、處理及分析數位影像，常被應用在物體辨識、流程控制、事件監視、三維重建、導航、自動駕駛領域中。如何整合虛擬物件於現實環境中，即是擴增實境技術主要解決的問題。擴增實境所外加的虛擬資訊並不是無時無刻顯示在使用者面前，而是透過各種追蹤使用者狀態的方式(tracking)觸發，包含六自由度(6 degrees of freedom, 6DoF)：紀錄位置的三個變數 (x, y, z)以及紀錄方位的三個角度(yaw, pitch, and roll)、近距離無線傳輸、光學辨識等(Van Krevelen & Poelman, 2010)。在現代科技的發展之下，得以利用各種科技完成擴增實境，例如全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)、行動網路(Cellular Network)、無線網路(Wireless-LAN)紀錄位置參數，擴增實境環境在偵測到使用者位於特定範圍內，即顯示事先設計好的內容；利用加速儀(Accelerometer)及陀螺儀(Gyroscope)記錄方位角度來調整所顯示的視角； 13.

(23) 利用無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)及近距離通訊(Near Field Communication, NFC)近距離感應紀錄，只要感應到特定的標籤即可顯示擴增物；利用相機進行視覺或光學辨識，可分為有標(Marker-based)：事先設計標誌與相對應的物件，再依據所偵測到的目標顯示擴增物，圖 1-8 的例子中，圖左是擴增實境環境偵測到標誌，圖右是顯示後的結果，其他常見的例子是建立在二維條碼上的擴增實境，及無標(Markerless)：不使用實體標誌，而利用環境影像事先設計特徵的辨識條件與其相對應的物件，再依據所偵測到的目標顯示擴增物，圖 1-9 的例子中 (a)和(c)是現實環境的影像，(b)和(d)則是影像中的特徵點，擴增實境在偵測到現實環境中特徵條件符合後顯示擴增物，另外常見的例子是基於圖片辨識的擴增實境 (Papagiannakis, Singh, & Magnenat‐Thalmann, 2008)。透過現代科技的輔助，將特定的觸發條件與顯示內容連結起來，就能夠利用此特性在指定的現實環境條件下顯示(Register)擴增內容物，也將虛擬的電腦模型從電腦螢幕中跟著隨身的行動裝置帶入生活中，達成擴增實境的目的。. 圖 1-8 擴增實境的有標辨識 (Angelopoulou et al., 2012). 14.

(24) 圖 1-9 擴增實境的無標辨識 (Verykokou et al., 2014). 15.

(25) 第2章研究方法 2-1 採用軟體工具與限制為了最大化解決方案的永續性，同時也受限於時間與研究者本身的程式撰寫能力，本研究排除撰寫程式的解決方式，透過分析現有的建模軟體及開發工具，找出最合適的解決方案。此外，本研究著重於降低技術與成本門檻，且利用行動裝置重現三維建物，所以誤差來源主要取決於行動裝置定位精度，此誤差大於建模工具所產生的誤差，因此本研究排除模型本身的精度問題。本研究就目前三維建物建模工具與擴增實境開發環境中，先以工具目的性、功能需求、成本及學習難易度篩選出最可行的方案，再分析能夠同時相容建模工具與擴增實境環境的模型格式，作為實驗基礎。 2-1-1 軟體分類軟體依其授權模式有許多分類，本研究謹說明採用軟體中所相對應的類別，以下分述之： 1. 自由軟體(Free Software) 根據自由軟體基金會的定義 2：自由軟體簡言之使用者具有自由執行、複製、發佈、研究、修改及改良軟體，使用者具有控制軟體用途的權利，知名的網頁伺服器軟體 Apache 就屬於自由軟體。若軟體符合以下四種自由，就可以稱之為自由軟體：. 2. http://www.gnu.org/philosophy/free-sw.html.en 16.

(26) 自由 0：可以隨心所欲以任何目的執行軟體的自由。自由 1：可以研究軟體運作方式的自由，並且可以依自身需要修改，此自由的前提是軟體原始碼是可以自由取得的。自由 2：具有複製並發布的自由，進而幫助他人。自由 3：擁有自由去改良軟體並散佈改良後的版本的，以使更多人受惠。此自由的前提也建立在軟體原始碼是可以自由取得的。 2. 免費軟體(Freeware) 不同於自由軟體，免費軟體通常是付費軟體的免費版，使用者僅具有免費的執行權利，並不允許複製、發佈、研究、修改，而且軟體的原始碼也不是公開的，軟體中可能帶有廣告以作為開發者的獲利，常見的免費軟體有 Microsoft 的 Skype 以及 Adobe 的 Adobe Reader。 3. 商業軟體(Commercial Software) 商業軟體必須付費才具有使用權，且與免費軟體相同，使用者僅具有執行權利，並不允許複製、發佈、研究、修改，而且軟體的原始碼也同樣非公開，過去的商業軟體通常為一次性付費，現今則開始盛行訂閱制度如 Microsoft 的 Office 365。 2-1-2 工具選擇與互操作性分析建模因其應用的領域不同（如遊戲、動畫電影、工業等），而有各式不同的專業軟體如 Autodesk 3ds Max、Autodesk Maya、Solidworks、Trimble SketchUp，其中 Solidwork 常用於工業設計、Autodesk Maya 則常用於電影動畫，擅長於建物建模領域的有 Autodesk 3ds Max、Trimble SketchUp，因此以下將就兩者進行比較（表 17.

(27) 2-1），在成本方面，3ds Max 的授權價格高（目前方案從每月 185 到每三年 4410 美金不等），而 Trimble SketchUp 則分為付費授權的 Pro 版本及免費授權的 Make 版。學習難易度方面，3ds 涵蓋的功能較全面性，但其操作介面對於未接觸過建模工具的使用者而言十分複雜（圖 2-1），SketchUp 雖然功能不若 3ds 完整，但用於建模上已足夠，加上其主要特點聚焦在建物的建模上，使其操作介面相對簡單且直覺（圖 2-2），平台支援部分，Autodesk 3ds Max 支援的作業系統為 Windows，而 SketchUp 則支援 Windows 及 macOS，綜合以上，經評估本研究採用 Trimble SketchUp 作為三維建模工具。. 圖 2-1 Autodesk 3ds Max 操作畫面. 18.

(28) 圖 2-2 Trimble SketchUp 操作畫面表 2-1 建模工具比較建模工具. 操作複雜度. 授權. 支援平台. Autodesk 3ds Max. 高. 商業軟體. Windows. Trimble SketchUp. 低.. 免費／商業軟體. Windows／macOS. 目前擴增實境解決方案主要分為兩種，一種由開發商依不同平台釋出以包含擴增實境功能的用戶端應用程式供使用者下載，使用者藉由開發商提供的網頁介面設計擴增實境內容，發佈到伺服器之後，由用戶端應用程式讀取擴增實境內容，以存取其功能；另一種是開發商根據不同平台提供專屬的軟體開發套件(Software Development Kit, SDK)，軟體開發套件中包含了存取擴增實境功能的程式碼與不同開發環境的專案檔，使用者可依自身需求將程式碼加入程式中，或修改開發商提供的專案檔範例，將程式安裝到裝置上或發佈安裝包。前者的能力門檻需求較低，但功能限制多；後者的能力門檻需求高，功能完整且彈性高。本研究的展示方法為根 19.

(29) 據使用者在現實世界的位置，來重現相對應的建物模型，因此擴增實境環境必須同時具備地理位置感知與顯示三維物件的功能。擴增實境解決方案的選擇主要考慮的是授權成本以及功能完整性，目前發展相對成熟的有 ARLab、Layar、Metaio、Vuforia、Wikitude（表 2-2），主要皆為商業授權，或提供具有浮水印的免費授權。ARLab 以功能導向為主，並依照功能收費，目前提供的服務有地理位置的擴增實境瀏覽（199 歐元）、影像辨識（299 歐元），不同平台分開販售，目前支援的平台有 Android 及 iOS；Layar 先前主要提供網頁設計界面的使用方式，今年(2016)正式釋出軟體開發套件，目前不論是網頁介面或開發套件皆不支援地理位置感知功能，且僅有商業授權（每月 3.5 美金或每年 34 美金）；Metaio 已在 2015 年由美國 Apple 公司所收購，不再釋出產品與提供支援； Vuforia 提供軟體開發套件，但目前不支援地理位置感知功能，授權費用從免費、每月 99-999 美金不等、或 499 美金的一次性付費；Wikitude 目前提供網頁介面的 Wikitude Studio 以及軟體開發套件 Wikitude SDK，Wikitude Studio 不支援地理位置感知功能，而 Wikitude SDK 功能符合需求且完整，授權費用從免費或每年 5904490 歐元不等。前述的擴增實境解決方案當中，能兼具三維物件的支援與地理位置的感知，且具有全功能的免費授權的只有 Wikitude，因此本研究採用 Wikitude 作為擴增實境的解決方案。綜合以上，經互操作性(Interoperability)分析，Trimble SketchUp Make 可產生的模型格式為 Google Earth File 及 COLLADA，Autodesk 3ds Max 可輸出之模型為 COLLADA、3D Studio、Wavefront、AutoCAD、FBX，而 Wikitude 擴增實境軟體開發套件環境可以支援的模型格式為 FBX，因此在目前的工具環境下的可操作路徑（圖 2-3）為：使用 Trimble SketchUp Make 進行簡易三維建模，輸出 COLLADA，經由本研究選擇的免費且易用的第三方轉檔工具：Autodesk FBX Converter，轉換成 FBX 格式（或使用 Autodesk 3ds Max 建模，直接輸出 FBX，但此方案需額外授 20.

(30) 權費用，不被本研究採用），該軟體屬於免費軟體，接著透過 Wikitude 軟體開發套件內所提供的轉換程式 Wikitude 3D Encoder 轉換成可在 Wikitude 擴增實境環境內支援的三維物件格式。. 表 2-2 擴增實境解決方案比較. 網頁介面. 支援三維物件. 支援地理位置感知. 授權方式. 支援平台. ARLab. 無. 無. 有. 商業. Android, iOS. Layar. 有. 有. 無. 商業. Android, iOS, Blackberry. 擴增實境解決方案. Metaio. 無. 有. 有. 商業. Android, iOS, Windows PC, Google Glass, Epson Moverio BT-200, Vuzix M100, Unity. Vuforia. 無. 有. 無. 免費／商業. Android, iOS, Unity. 免費／商業. Android, iOS, Google Glass, Epson Moverio, Vuzix M-100, Optinvent ORA1, PhoneGap, Titanium, Xamarin. Wikitude. 有. 有. 有. 21. 備註. 產品已停止釋出及支援.

(31) 圖 2-3 工具互操作性分析結果。粗線表示可操作路徑。. 2-2 研究流程本研究欲解決的主要問題為提出完整的流程以實現三維像真建物模型之擴增實境展示，而此流程建立在技術及成本門檻相對低的條件上，換言之就是免費又易用的方案為佳。 22.

(32) 完整的方案包含三個部分： 1. 三維建模：此階段主要是利用三維建模技術將實體建物轉換成三維模型的任務，除了建模以外，還包含了模型的驗證，以確保模型的可用性。 2. 模型處理與轉換：由於最終的目標是利用擴增實境技術重現三維模型，因此本階段主要目標是將完成的模型轉換成擴增實境環境可接受的物件格式，易言之即是模型至擴增物之間的過程。 3. 擴增實境設計與開發：此階段著墨於模型的重現，利用擴增實境解決方案將擴增物件（三維模型）置入擴增實境環境中，設計觸發方式使建物模型能依據使用者位置顯示。本研究完整流程見圖 2-4，首先是確立研究動機與目的，接著透過研究議題來確定做法，經過回顧文獻與理論基礎以後進入實作與驗證的過程，主要分為兩大階段，第一階段主要透過實作以驗證整個方案的可行性，將以校園內一棟已拆除的歷史建物重建為測試用模型，並以擴增實境展示系統做為實驗設計藍圖，將模型置入擴增實境環境中展示，經過第一階段的初步評估與改良後，第二階段主要為再推廣至施測對象，以檢驗整個方案的難易程度，並利用問卷收集使用者回饋，以供後續的建議及改善。. 23.

(33) 研究動機. 研究議題確立. 文獻與理論探討三維建模虛擬實境擴增實境擬定完整流程. 工具選擇、互操作性分析與實驗設計. 流程實作. 三維建模. 模型驗證. 不通過. 系統測試. 驗證. 不通過. 初步修正與改善. 使用者測試. 總體評估與後續建議圖 2-4 研究流程圖. 24. 模型轉換與處理. 擴增實境設計開發.

(34) 2-3 研究範圍本研究建模的模型範圍位於國立臺灣師範大學校本部，用以驗證流程的測試建物為健康中心（圖 2-5 方框），1957 年落成當時為國內大專院校最早設置的「師生交誼廳」設施，並命名為「樂群堂」，落成後內部有中心辦公室、學生組織辦公室、咖啡廳、郵局、乒乓室、商店等設施，此棟建築物具有 1950 年代現代建築的線條簡潔特色，是師大校園內少數殘存的 1950 年代建築代表(洪致文, 林庭均, 林芬郁, 邱一, & 謝明達, 2016)，後於 2012 年拆除改建，改建前作為健康中心與軍訓室使用，新建物於 2014 年啟用，本研究所建之模型為拆除前的建物，筆者撰文期間正好經歷了此棟建築物拆除前、改建中、竣工新建物啟用的完整過程，因此選擇此棟建物作為測試模型目標，以體驗重現之感。施測時所採用建物共 14 棟，包含：誠正勤樸大樓、游泳館、文薈廳、普通大樓、行政大樓、樂智樓、大門、體育館、音樂系館、音樂學院、管理學院、美術系館、女一舍、男一舍，各建物分布位置見圖 2-5。. 25.

(35) 圖 2-5 國立臺灣師範大學校本部配置圖 3. 3. 國立臺灣師範大學校園配置圖 http://www.ga.ntnu.edu.tw/ntnu_map/ 26.

(36) 第3章簡易方案設計與實作完整的三維像真建物模型之擴增實境展示流程可分為三維建模、模型處理與轉換以及擴增實境設計開發三個階段，本章將從現有的建模軟體及開發工具，篩選出最合適的解決方案，並以校園內已拆除的歷史建物為實作目標，以驗證整個方案流程的可行性。. 3-1 方案實驗設計確立了從建模到擴增實境展示的整個流程後，本研究利用前述工具方案，設計一個三維像真建物模型的擴增實境展示系統，以驗證其可行，此系統以智慧型手機作為使用平臺，利用 Wikitude 擴增實境解決方案顯示三維建物模型。主要目標為 (1)能夠提供使用者建物模型的顯示方向指引。(2)在正確的地點上顯示與建模成果相符的模型。實作內容主要分為三階段： 1. 建物模型產製：本研究以師大校園內一棟已拆除的建物為例，重建一棟測試用建物模型，驗證模型的可用性並加以修正； 2. 模型檢驗與轉換：使用免費第三方轉換工具將建模成果轉換為擴增實境環境所支援的格式； 3. 擴增實境設計：設計模型在擴增實境開發環境中的展示。實驗裝置詳細規格如表 3-1，以筆記型電腦作為模型產製及擴增實境開發平台，以智慧型手機作為展示平台。. 27.

(37) 表 3-1 實驗裝置規格表筆記型電腦. 智慧型手機. 品牌型號. VAIO S15. SONY Xperia Z3. 作業系統. Windows 10 version 1511. Android 6.0.1. 處理器. Intel i7-3632QM. Qualcomm Snapdragon 801 MSM8974AC (2.5 GHz). 圖形處理. Nvidia GeForce GT640M LE. Adreno 330. 解析度. 1920 x 1080. 1080 x 1920. 記憶體. 12GB DDR3. 3GB LPDDR3. 3-2 三維建模隨著攝影測量密匹配技術及光達測量技術的發展，三維像真建物模型(Photorealistic Building Model)成為建物的最佳數位典藏方案。利用光達儀器及攝影測量軟體可以大量且快速的建出細緻程度高的三維建物模型，但其工具與技術均非一般民眾所能負擔，因此必須仰賴簡易三維建模工具來大幅降低模型產製的門檻。簡易三維建模對於使用者而言，能夠獲益於參數化模型的表示方式，只需要經由簡易的操作定義模型的邊界範圍與大小，再對各個面指定其材質，就能完成整個建模過程，本研究採用的建模工具為 Trimble SketchUp Make 4。完整產製模型的主要步驟為： 1. 取得建物外觀照片：利用攝影裝置拍攝建物的外觀（圖 3-1）及細部照片，拍攝時須注意以下事項，以避免需再次拍攝或建物被拆除而無法再紀錄：. 4. Trimble SketchUp Make 可至此取得：http://www.sketchup.com/download/all。 28.

(38) (1) 拍攝具有建物三軸的照片：拍攝建物照片時，須將房屋三軸的基準點拍攝進去，同時也要包含三軸基準點的對蹠點，以提供房屋邊線的參考。 (2) 環建物拍攝：攝影站位置應環建物拍攝一周，且拍照時應同一天拍攝建物，避免陽光強度不同讓建物顏色有所差異。 (3) 避免背光或過曝：拍攝時應注意現場光線，避免背光使建物本體過於黑暗，或陽光直射產生過曝現象。 (4) 避免使用廣角鏡：拍照時應避免使用廣角鏡與手機前鏡頭，且盡量將照片置於圖幅中央，避免鏡頭變形扭曲照片，造成照片中直線變形失真情況。 (5) 拍攝方向與建物垂直：相機拍攝方向應盡量與目標建物垂直，避免照片仰角過大導致後續使用時相片變形過大而失真。 (6) 減少雜訊（遮蔽物）：現場拍攝時應避免建物受遮蔽物所阻擋如灌木叢或大型地面裝置物。 (7) 特寫材質陣列：若目標建物同一牆面均為相同牆面紋理，只需要拍攝一組材質，後續可採陣列排列的方式重複貼上。 (8) 紀錄細部結構：應確實記錄建物細部結構，如外牆門窗框突起、屋頂裝飾結構等。 2. 測量建物：利用媒合照片工具定義建物三軸與建立正確比例模型，再至位置工具中利用衛星影像（圖 3-2）描繪建物的輪廓與等比例放大外觀尺寸，已被拆除的建物可透過歷史相片估算其外觀大小；. 29.

(39) 3. 幾何建模：在建模工具上利用測量結果及建物照片繪製建物的幾何輪廓（圖 3-3），並繪製細部結構物（如外觀突起結構或屋頂裝飾等）； 4. 萃取材質紋理：從拍攝完的相片中擷取外觀材質（牆面、窗戶、門框、樓層分隔及細部裝飾等等）（圖 3-4），並分別存成圖片檔； 5. 紋理貼合：將製作完成的材質圖檔一一貼合到相對應幾何輪廓上，並調整尺寸使其符合外觀大小（圖 3-5）； 6. 細部編修：對整個模型加以檢視，確認細部幾何結構（圖 3-6）、修正錯誤的幾何大小、錯置的元件、未對齊的材質等等； 7. 模型完成與輸出準備（圖 3-7）：完成模型後，將模型專案存檔，再將媒合過程使用的照片與位置功能的 Google 底圖刪除，接著選定房屋的其中一個角點，將之移動至與原點重合（圖 3-8），並輸出成 COLLADA(.dae)格式。. 圖 3-1 現地拍攝照片 30.

(40) 圖 3-2 SketchUp 位置工具. 圖 3-3 建立建物幾何輪廓描述. 31.

(41) 圖 3-4 萃取建物材質紋理. 32.

(42) 圖 3-5 建物材質紋理貼合. 33.

(43) 圖 3-6 模型細部編修. 圖 3-7 模型完成. 34.

(44) 圖 3-8 選擇建物模型其中一角點與原點重合. 3-3 模型格式與轉換從建模工具產出三維像真建物模型到擴增實境開發套件環境的過程，牽涉到模型格式的相容性問題，工具所輸出的模型格式必須符合開發套件環境所支援的輸入格式，出現兩者不同的情況時就需另外處理格式間的轉換，Trimble SketchUp Make 支援的模型輸出格式為 COLLADA 及 Google Earth File，而 Wikitude 的擴增實境環境能顯示的三維物件格式為 Wikitude 3D Format (wt3)，是該軟體特有的格式，其軟體開發套件中隨附轉換程式 Wikitude 3D Encoder，此程式僅支援 FBX 轉換成 wt3，因此本研究先使用免費的第三方工具 Autodesk FBX Converter 5 將. 5. Autodesk FBX Converter 可至此取得：. http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/item?siteID=123112&id=22694909 35.

(45) COLLADA 轉換成 FBX 格式。 3-3-1 模型格式. 1. Collaborative Design Activity Collaborative Design Activity (COLLADA) 6格式為供三維應用軟體使用的一種檔案交換格式，副檔名為 dae，由非營利組織 Khronos Group 提出，是一種開放標準的檔案格式，Open Geospatial Consortium(OGC)中的 City Geographic Makeup Language (CityGML)標準所定義之三維模型規格，有一部份即從 COLLADA 演進而來。 COLLADA 使用開放標準的 Extensible Markup Language Schema(XML Schema)定義三維模型中各個元件架構，主要類別包含：動畫(Animation)、相機 (Camera)、控制元件(Controller)、資料列(Data Flow)、擴展(Extensibility)、幾何 (Geometry)、光線(Lighting)、數學函式(Mathematics)、詮釋資料(Metadata)、參數 (Parameters)、場景(Scene)、變形(Transform)，前節三維建模中主要使用的元件是幾何及詮釋資料，圖 3-9 為其檔案內容之部分截圖。雖然 COLLADA 為開放格式，檔案結構能夠被完整解讀，但其允許使用者加入客製化屬性的特性，使 Wikitude 3D Encoder 在最近的版本更新中捨棄對其的支援。. 6. COLLADA 規格標準詳見：https://www.khronos.org/collada/。 36.

(46) 圖 3-9 COLLADA 格式之建物模型的部分檔案內容. 2. Autodesk FBX FBX 是現今商業軟體主流的三維模型檔案交換格式，副檔名為 fbx，最初由 Kaydara 公司發表 Filmbox 時一併提出，屬於該軟體的專有格式，而後隨著 Kaydara 被收購，目前由 Autodesk 公司所有擁有。雖然 Autodesk 特別為 FBX 釋出免費的軟體開發套件，但其本質上仍是原始碼私有(Closed Source)的檔案格式，而 Blender 基金會為其發布了非官方版本的規格書 7。FBX 格式有兩種紀錄方式，一種是以文字型態(ASC II)描述，另一種是以二進位方式(Binary)描述，兩種描述方式不影響本研究中的使用，圖 3-10 為前節模型以 FBX ASCII 描述的檔案部分內容。. 7. Blender 基金會發布的 FBX 非官方規格書詳見：https://code.blender.org/2013/08/fbx-binary-. file-format-specification。 37.

(47) 圖 3-10 FBX 格式以 ASCII 描述之建物模型的部分檔案內容. 3-3-2 模型轉換三維建模完成的模型首先從 Trimble SketchUp 輸出成 COLLADA 格式，利用 Autodesk FBX Converter 轉換為 FBX 格式，接著使用 Wikitude 3D Encoder 將 FBX 轉換為 wt3 格式。FBX Converter 的轉換介面（圖 3-11）左側為輸入區塊，右側為輸出區塊，輸出時必須保留「Embed media」選項以維持材質，下一步則將輸出完. 38.

(48) 成的 FBX 格式模型輸入至 Wikitude 3D Encoder 8（圖 3-12），再輸出成 wt3 格式則完成整個檔案轉換程序，最終結果的模型格式即可置入擴增實境環境中。. 圖 3-11 Autodesk FBX Converter 的格式轉換介面. 8. Wikitude 3D Encoder 包含在 Wikitude SDK 中，可至此取得：http://www.wikitude.com/download/。 39.

(49) 圖 3-12 Wikitude 3D Encoder 的格式轉換介面. 3-4 擴增實境展示設計現階段三維建物模型大多只能以虛擬實境的方式（如 Google Earth 或 Skyline）呈現在電腦螢幕中，不容易看出與真實環境中的互動關係，因此本研究引入擴增實境技術，讓典藏的三維像真建物模型能夠在真實環境中再現。現今無線及行動網路環境的發展成熟，具有全球導航衛星系統、加速儀、陀螺儀、高解析度螢幕及高畫素相機功能的智慧型行動裝置十分普及，其處理器運算能力也已足以處理圖像解算，因此本研究以智慧型行動裝置作為擴增實境的展示平台。本研究採用的開發套件為 Wikitude Augmented Reality Software Development Kit for Android(Wikitude AR SDK for Android)，圖 3-13 是此開發套件的架構，套件核心由電腦視覺引擎構成，主要功能用來處理現實環境的辨識（包含二維及三維元素），引擎中的辨識資料庫可儲存於雲端或本機中，當中記錄預先定義的各種特徵 40.

(50) （例如人臉或特定圖徵或地物）與其相對應的擴增物件，核心上層利用 JavaScript API 處理三維物件的顯示、偵測地理位置以及提供與擴增物件的互動功能，進而與核心交換資料，包含(1)姿態感知：根據裝置的傾斜角度、加速度觸發；(2)地理位置感知：根據裝置所在地理位置觸發；(3)影像辨識、追蹤：偵測裝置相機畫面中的特定目標物而觸發。JavaScript API 提供較佳的跨平台特性，但效能相對不佳，因此 Wikitude 在最近的版本中為 Android 及 iOS 平台加入了原生 API(Native API)支援，以強化效能表現，但原生 API 目前並不支援地理感知功能，因此採用 JavaScript API 版本的 Wikitude Android 擴增實境軟體開發套件。地理感知擴增實境的裝置環境需求為(1)Android 4.0.3 (API 15)版本以上、(2)OpenGL 2.0，並配備(3)電子羅盤、 (4)全球導航衛星系統（使用行動網路定位也可，但須有 SIM 卡並具備行動上網能力）、(5)加速儀、(6)高解析螢幕（240 dpi 以上）、(7)後置鏡頭，以上 7 項皆須具備，若有缺少則無法運作。. 圖 3-13 Wikitude 擴增實境環境軟體開發套件架構（資料來源：Wikitude 41.

(51) GmbH）本系統主要目的透過手機畫面結合真實環境展示建物模型，並提供方向指引功能，首先為了使擴增實境環境在所要求的位置顯示模型，需找出 4-3 節中模型輸出前所選定的建物角點座標，Wikitude 使用的坐標系統為 WGS84，可使用內政部國土測繪中心通用電子地圖 9查詢平面座標（圖 3-14），再至 Google Earth 平台中查詢高程值（圖 3-15），並設定至擴增實境環境中（圖 3-16）。接著將完成的 wt3 格式模型檔案放入擴增實境軟體開發套件中，再匯入 Google 的 Android Studio 10中並發布（圖 3-17），至此即完成擴增實境展示環境設計階段的流程。. 圖 3-14 平面座標查詢工具. 9. 10. 內政部國土測繪中心通用電子地圖 http://emap.nlsc.gov.tw/gis103/。. Android Studio 為 Android 應用程式的開發環境，由 Google 負責開發，可至此取得：. https://developer.android.com/studio/index.html。 42.

(52) 圖 3-15 高程座標查詢工具. 圖 3-16 設定模型座標. 43.

(53) 圖 3-17 發佈設計完成之擴增實境應用程式至手機預設的顯示模式為只要當下裝置相機視角方向包含了模型位置，就將模型顯示在畫面上(若距離極遠只會顯示一黑點)，若要定義觸發環域範圍則需要額外修改程式碼，目前未實作在系統中，但本研究另外測試一些適用於多目標狀況的優化效果，以供熟悉程式設計的進階使用者參考，可以透過修改軟體開發套件的程式碼使用，當中例如預先讓建物點位顯示在環境中進而更全面的暸解分布狀況（圖 3-18），也可以利用範圍設定載入的建物，並利用雷達圖來描述點位位置（圖 3-19），透過減少建物的顯示數量來降低系統的效能負擔。. 44.

(54) 圖 3-18 多目標展點. 45.

(55) 圖 3-19 透過設定範圍限制顯示數量。右上角為雷達圖。. 3-5 方案修正與測試結果 3-5-1 流程細節修正 1. 全新三維模型流程實作過程中，本研究發現 3-2 節完成的模型輸出後的模型問題，以下將討論並提出修正方法：. 46.

(56) (1) 材質閃爍（圖 3-20）：若模型顯示時出現材質閃爍的現象，原因可能為：. I.. 超過一個材質同時被指定到同一個面上：建模時直接在原本的幾何面上覆蓋一層圖片，未正確將材質指定給面。. II.. 同一個位置同時包含兩個幾何面：將同一個幾何面分割成多個區塊的時候，錯將子區塊重疊到原本的面上。. 因此在解決閃爍問題時，先確認屬於何種錯誤，若為前者，先將覆蓋的圖片刪除，再改以材質的方式指定；若為後者，找出多餘的重疊幾何面刪除即可。 (2) 材質無法顯示：由於 Wikitude 要求材質圖片必須為邊長像素數目為 2 的整數次方的正方形(1*1、2*2、4*4、8*8…)所構成，而在 Trimble SketchUp 中沒有限制材質尺寸，因此輸出的模型材質不符合規定時，就會導致無法渲染材質或渲染錯誤，而呈現一片灰色、黑色或錯誤扭曲的重複材質（圖 3-21）。本研究建議在遭遇此問題時，可以找尋大於原本最大邊長的 2 的次方數值中的最小值，作為新的正方形邊長，並將原本的材質重複填滿該正方形，完成後的新圖片即可符合材質條件，亦不至於降低材質顯示品質，如圖 3-21 左側為原始萃取的材質，圖片尺寸為 773*352 像素，經重製後為 1024*1024 像素，使用時再利用 SketchUp 內的材質工具調整重疊至正確位置。. 47.

(57) 圖 3-20 模型閃爍狀況. 圖 3-21 材質無法顯示的情況 48.

(58) 圖 3-22 模型材質圖片修正示意 2. 現有三維模型若使用者已現有完成的 SketchUp 模型專案檔，也可使用在本研究的流程，因此本研究亦測試現有的模型檔案，發現除了可能有前述兩種問題外，還有幾種情況： (1) 模型嚴重偏離座標（圖 3-23）：問題出在產製模型時，未將模型位置定位在座標原點，而導致轉換結果的模型遠在座標格之外，解決方式為調整模型的位置。 (2) 模型上下顛倒：問題發生在轉換時 Z 軸定義錯誤，此問題將 Z 軸重新定義指向高程正值方向即可解決。 (3) 模型尺寸錯誤：問題則因模型檔案的單位設定錯誤，將專案單位修正即可。情況(2)、(3)也可利用文字編輯軟體開啟輸出的 COLLADA 格式檔案（圖 3-24）， 49.

(59) 將 <asset> 標籤內的 unit 元素修正為 <unit meter=”1” name=”meter”/> 以及 up_axis 元素修正為<up_axis>Z_UP</up_axis>。. 圖 3-23 模型錯置情況. 圖 3-24 以文字編輯軟體修正模型定義，圖為未修正前 3-5-2 擴增實境展示測試結果本研究透過擴增實境的現地測試驗證本研究提出的流程解決方案，並評估展示效果，測試路線如圖 3-25 所示，由大門口往健康中心移動，在開始前先確認開啟裝置的定位功能，如圖 3-26 所示，不同型號裝置的畫面可能內容有所不同，定位 50.

(60) 選項可選擇高精度（同時利用全球導航衛星系統天線、WiFi、與行動網路定位能夠更提升定位品質），測試時等待定位誤差降低後再出發（圖 3-27）以提升展示效果。定位完成後，畫面提供目標的方向指引（圖 3-28 箭頭），接著隨導引方向朝目標移動，最後模型顯示在現地上（圖 3-29），完成整個測試流程。擴增實境展示環境正確提供方向指引，模型展示時也正確顯示其幾何外觀與建物材質，由於模型顯示的觸發範圍交由擴增實境環境自動處理，建物模型一律疊加在現有環境之上。展示時模型位置與正確位置有所偏差，追究原因發現係因現地周遭受建物所環繞所致，當時的裝置定位誤差達 14 公尺（圖 3-31），所以模型位置的誤差來源主要為裝置定位所致，若能降低定位誤差可以提升展示品質，然而都市地區容易出現展示現地附近建物密度高的情況，實為本研究的主要限制。另一方面，為了測試擴增實境環境處理模型與環境以及模型與模型之間的遮蔽情形，本研究另外加入了與健康中心相鄰的另一棟建物模型（文薈廳），結果顯示（圖 3-30）Wikitude 擴增實境環境有處理模型之間的遮蔽問題，但未處理模型與真實環境間的遮蔽問題，以裝置位置向兩棟模型的視角而言，左側建物的右面受到其右側建物所遮蔽，模型的顯示狀況也確實反映真實環境（圖 3-30 左框），而最右側的建物在實地並未受到其左側建物所遮蔽（圖 3-30 右框），但模型展示結果顯示其一律覆蓋在真實環境上，使其無法反映模型與真實環境配置的相互關係，為該擴增實境環境目前的限制。. 51.

(61) 圖 3-25 測試現地。星號表示起點，方框表示目標建物，線段為測試路線。. 圖 3-26 確認定位功能開啟 52.

(62) 圖 3-27 等待定位完成. 圖 3-28 指引建物目標（藍色線頭）. 53.

(63) 圖 3-29 模型顯示於現地上. 圖 3-30 模型遮蔽測試. 54.

(64) 圖 3-31 裝置定位誤差. 55.

(65) 第4章實施測試與測試者回饋經過整個方案的實作與擴增實境展示測試，證實了使用者只要使用現有免費軟體工具，在不需要額外花費、也不需要開發程式的情況下（僅需設定地理坐標值），即可將實體建物建模，並利用擴增實境技術使其重現在現實環境中，以下將進一步推廣至測試者，利用測試成果評估方案的難易度，並藉由使用者回饋作為後續改善的建議。. 4-1 測試者背景與施測內容本研究的施測對象採用非隨機抽樣中的便利抽樣而成，受試者為大學某課程的所有學生，測試者人數總共為 14 名，當中資訊能力背景主要為有能力收發電子郵件、文書處理、或使用社群媒體者，佔 57.1%；另有 35.7%施測者雖無法獨立開發程式，但有能力安裝作業系統，以及使用電腦解決問題；7.1%對電腦一竅不通。流程中所使用的工具中，對於 Trimble SketchUp 熟悉程度狀態，沒聽過也未曾使用者佔 71.4%、僅聽過但未使用過者佔 14.3%、能繪製基本幾何圖形者 7.1%、能完整建模者 7.1%，而 Autodesk 3ds Max 與 Wikitude 擴增實境軟體開發套件的熟悉程度皆為沒聽過也未曾使用者佔 92.9%、僅聽過但未使用過佔 7.1%。整體而言，受試者大多(92.9%)至少具有基礎資訊能力（電子郵件、文書處理及社群媒體），且多數 (71.4%、92.9%、92.9%)皆未接觸本流程使用的工具，符合本研究目標的非專業使用者。測試包含教學與實作，總時數為 17 小時，內容涵蓋本研究提出的整個流程解決方案，分計 13 小時的建模、1 小時的模型檔案格式轉換、2.5 小時的擴增實境設計、0.5 小時的現地測試（圖 4-1、圖 4-2），測試所用建物範圍如圖 2-5，建物如 2-3 節所述，以一人一棟為原則，共計 14 棟。. 56.

(66) 圖 4-1 測試者現地測試擴增實境展示之一. 57.

(67) 圖 4-2 測試者實地測試擴增實境展示之二. 4-2 成果展示測試成果每個測試者至少均完成三維建模，有些測試者的行動裝置系統版本過舊，或者缺乏某些元件，因此無法支援三維物件的顯示，以下先將各模型一一說明與展示，本章末節再做綜合討論：. 58.

(68) 建物建模成果. 擴增實境展示成果. 問題說明. 名稱模型材質貼的位置偏移、有些材質貼合不正確、建築表面留有多餘線. 誠正. 段；展示時材. 勤樸. 質、位置皆有. 大樓. 正確顯示，惟截圖時距離建物太近，導致模型整個遮蔽住周圍環境。. 59.

(69) 模型材質貼的位置偏移，加上設定位置錯游泳. 誤導致擴增實. 館. 境展示時位置偏移、且部分材質顯示錯誤。. 模型處理的最文薈. 後階段未將用裝置不支援三維物件顯示. 廳. 以照片媒合的圖片移除。. 60.

(70) 模型處理的最後階段未將用普通裝置不支援三維物件顯示. 以照片媒合的. 大樓圖片移除，材質未貼完全。. 模型外觀嚴重錯誤，且像真行政裝置不支援三維物件顯示. 材質只製作一. 大樓面，幾乎使用假材質。. 61.

(71) 樂智裝置不支援三維物件顯示樓. 模型處理的最後階段未將用以照片媒合的圖片移除、建築有小部分未完成、材質連接處未處理妥善。. 模型表面留有多餘線段、假大門. 裝置不支援三維物件顯示部分使用假材質。. 62.

(72) 模型處理的最後階段未將用以照片媒合的體育. 圖片移除，導. 館. 致展示時部分材質未能正確顯示，但外型與位置正確。. 模型處理的最後階段未將 Google 底圖移除，且材質為正確處理導致展示時無法正確顯示，但外型與位置正確。. 音樂系館. 63.

(73) 模型部分使用音樂. 假材質且材質裝置不符需求. 學院. 貼的位置偏移。. 模型三軸位置顛倒、處理的最後階段未將用以照片媒合的圖片移除、且材質連接處未妥善處理，導致部分材質顯示異常，展示時則受限於定位環境導致模型飄移。. 管理學院. 64.

(74) 模型材質連接處未處理妥善，導致展示美術. 時的顯示問. 系館. 題，展示時的尺寸正確，且受到位置偏移影響。. 模型處理的最後階段未將用以照片媒合的圖片移除、且高度尺寸錯誤、材質連接處未處理妥善，導致顯示異常。. 女一舍. 65.

(75) 模型處理未依規定使用像真材質，且材質男一. 像素尺寸錯. 舍. 誤，導致材質未能正確顯示，但顯示位置大致正確。. 66.

(76) 4-3 測試者方案效果評估本研究使用李克特量表分析施測後的測試者的困難度主觀認定與意願，用以評估方案的接受度與教學成效，量表統計如表 4-1，測試者對於方案的簡單程度認定略低於中間值（普通），經教學後大多數人明顯認為難度降低，有 86%的人對於未來的使用意見在普通以上且相較於難易度認定問題的分歧度低，以下為各個問題的人數說明： 1. 未受教學的情況下，依你自身情況評估，只參考文件手冊完成整個流程（包含 SketchUp 建模、模型轉換及修正、擴增實境應用）非常簡單（圖 4-3）：在未經教學的情況下，3 名測試者同意方案簡單，4 名持中立意見。 2. 屏除環境受限的狀況（例如網路、作業系統及主機），透過這幾堂課的訓練，我認為困難度降低非常多（圖 4-4）：經教學後，11 名測試者同意難度降低，1 名持中立意見。 3. 在未來，我非常願意嘗試透過此流程，將生活周遭的建物重現在擴增實境環境中，進而保存現有或即將被拆除的歷史建物（圖 4-5）：8 名測試者未來願意採用此流程方案保存建物，4 名持中立意見。表 4-1 測試者回饋量表統計. 量表題目. 最大值. 最小值. 平均. 標準差. 未受教學的情況下，依你自身情況評估，只參考文件手冊完成整個流程（包含 SketchUp 建模、模型轉換及修正、擴增實境應用）非常簡單。. 4. 1. 2.57. 1.02. 67.

(77) 承上題，屏除環境受限的狀況（例如網路、作業系統及主機），透過這幾堂課的訓練，我認為困難度降低非常多。. 5. 2. 3.79. 0.89. 在未來，我非常願意嘗試透過此流程，將生活周遭的建物重現在擴增實境環境中，進而保存現有或即將被拆除的歷史建物？. 5. 1. 3.86. 1.17. 未受教學的情況下，依你自身情況評估，只參考文件手冊完成整個流程（包含SketchUp建模、模型轉換及修正、擴增實境應用）非常簡單。 6 4 2 0 非常同意. 同意. 普通. 不同意. 非常不同意. 圖 4-3 方案難易度長條圖. 屏除環境受限的狀況（例如網路、作業系統及主機），透過這幾堂課的訓練，我認為困難度降低非常多。 10 8 6 4 2 0 非常同意. 同意. 普通. 不同意. 圖 4-4 方案經教學後之難易度長條圖. 68. 非常不同意.