3D擴增實境應用於行動導覽之研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學數位內容碩士學位學程 Master's Program in Digital Content & Technologies National Chengchi University. 碩士論文. 3D 擴增實境應用於行動導覽之研究. 學. ‧ 國. 治政 A Study of 3D Augmented Reality on 大 Mobile Navigation 立張樹安. ‧. Shu-An Chang. sit. y. Nat. n. al. er. io. 指導教授：吳岳剛 Yueh-Gang Wu. v i n Liao C h廖文宏 Wen-Hung engchi U. 中華民國一百年七月 July , 2011.

(2) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v.

(3) 摘要近年來 GPS 導航軟體正蓬勃發展，但市面上的導航軟體大多只能帶領使用者到達旅遊景點，無法更進一步提供旅遊資訊與行程建議。因此，本研究結合行動裝置與「3D 擴增實境」（3D Augmented Reality），試圖規劃一套新型的導覽模式。我們以淡水為例，結合當地古蹟景點與歷史典故，使導覽系統能提供豐富的數位內容。在設計的過程中，本研究建構出「新科技敘事模式」，在「故事」、「影音效果」、與「互動機制」之間取得平衡，讓使用者體驗到故事、感官刺激、和旅遊合而為一的導覽經驗。此外，在「3D 擴增實境」上，本研究建構了不同精細度的 3D 模型，並且在行動裝置上測試其效能。結果發現，「局部精化」的新形態建模概念，. 政治大. 能夠兼顧美觀與運算效能。最後，本研究針對行動裝置硬體效能的負荷進行了權. 立. 重測試，並獲得 GPU（Render）＞CPU（PR）的結論。. ‧ 國. 學. 關鍵字：3D、擴增實境、行動導覽、互動敘事. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 1. i n U. v.

(4) Abstract In the past few years we have witnessed the rapid growth in the sales of GPS related products on the market. Nonetheless, most navigation software solely provides route planning rather than travel information or tour guidance. This research aims to combine mobile devices and 3D augmented reality (AR) to create a novel form of navigational experience. Taking the famous tourist spot Tamsui as an illustration, materials adapted local monuments and historical allusions are re-arranged creatively to provide substantial digital contents with helpful navigation information.. During the design process, this research creates different modes of narration,. 政治大 various media sources, including story, video and interaction. Additionally, this research 立 constructs 3D models of different levels of detail and examines their efficiency on. enabling users to undergo a brand new navigation experience through the blending of. ‧ 國. 學. mobile devices. The experimental results indicate that 3D model built with partial fineness provides a balance between artistic fidelity and computational efficiency. Also,. ‧. the results from the experiment suggest that the loading of the GPU (responsible for rendering the model) is greater than that of the CPU (responsible for pattern. al. er. io. sit. y. Nat. recognition).. v. n. Key words：3D, Augmented Reality, Mobile Navigation, Interactive Story Telling. Ch. engchi. 2. i n U.

(5) 謝誌兩年前抱著學習的心情來到政治大學，非常感謝兩位指導老師這兩年來，給與的關懷與指導，引領我進入研究的殿堂。吳岳剛老師教導我許多設計與傳播的思維，因為有他的分享與教導，讓我在研究過程中逐漸成長，遇到挫折的時候也給予我莫大的鼓勵和協助，再多的言語也無法表達這段日子的感謝之意。我也要感謝廖文宏老師在資訊科學領域中給我的指導，不管是在新科技應用或系統實務上，老師都有耐心的教導我，讓我有機會接觸先前沒有接觸過的領域，並引導我從資訊的方向思考，看見不一樣可能。有以上兩位老師的指導，我才有機會將設計思維與資訊系統融合應用，真的非常感謝你們。另外特別感謝校外口委林珮淳. 政治大. 老師在百忙之中撥允指導論文，給予相當多實務且珍貴的意見，使論文得以更加. 立. 完整，非常感謝您。. ‧ 國. 學. 感謝所有學程的老師們，在課堂上的錦囊相授，讓我在研究期間不斷的磨練. ‧. 與學習，獲得不同領域的知識經驗，奠定研究的興趣與方向。也感謝學程的同學們，與你們相處的這段日子，能夠一起討論與分享研究中的苦與樂，是我人生中. y. Nat. er. io. sit. 最美好且珍貴的回憶。. al. v i n Ch 的很開心。感謝所有認識我、幫助過我的每一位朋友，因為有你們一路相隨，我 engchi U n. 特別感謝正和與育萱，在我研究過程中的支持與幫助，能與你們一同合作真. 才可以不斷前進，克服難關。最後我要感謝家人在求學路途中，給我的關心與鼓勵，因為有你們的支持，我才可以致力於學業中，專心的完成學位。謝謝你們！. 張樹安謹誌中華民國一百年七月. 3.

(6) 目錄中文摘要 ........................................................................................................................... 1 英文摘要 ........................................................................................................................... 2 謝誌 ................................................................................................................................... 3 目錄 ................................................................................................................................... 4 第一章. 緒論.......................................................................................................... 11. 1.1. 研究背景與動機 .......................................................................................... 11. 1.2. 研究目的 ...................................................................................................... 12. 1.3. 研究流程與架構 .......................................................................................... 13. 1.4. 研究範圍界定 .............................................................................................. 16. 第二章. 文獻探討 ................................................................................................. 18. 2.1. 擴增實境 ...................................................................................................... 18. ‧. ‧ 國. 學. y. sit. 擴增實境顯示技術 ............................................................................. 20. 2.1.2. 擴增實境辨識技術 ............................................................................. 28. 2.1.3. 擴增實境之應用 .................................................................................30. n. al. er. 2.1.1. io. 第三章. Nat. 2.2. 立. 政治大. Ch. engchi. i n U. v. 3D 立體影像 ................................................................................................ 46 2.2.1. 3D 影像的構成 ................................................................................... 48. 2.2.2. 3D 視覺效果 .......................................................................................61. 2.2.3. 3D 行動運算 .......................................................................................66 創作計畫 ................................................................................................. 72. 4.

(7) 3.1. 創作概念與動機 .......................................................................................... 72. 3.2. 創作構想 ...................................................................................................... 73 3.2.1. 打造一個嶄新導覽經驗 ..................................................................... 73. 3.2.2. 創作目標 ............................................................................................. 76. 第四章. 創作內容 ................................................................................................. 79. 4.1. 實作層面 ...................................................................................................... 79 3D 角色模型設計 ............................................................................... 79. 4.1.2. 3D 擴增實境效能測試 ....................................................................... 83. 4.1.3. 3D 擴增實境硬體權重測試 ............................................................... 88. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 企劃層面 ...................................................................................................... 92. y. sit. 4.2.3. 導覽流程設計 ................................................................................... 101. Nat. 4.2.2. 導覽遊戲故事大綱 ............................................................................. 93. ‧. 4.2.1. 導覽任務設計 ................................................................................... 105. io. al. er. 4.2. 4.1.1. v. 創作結果分析與討論 ........................................................................... 122. 5.1. 實作層面分析討論 .................................................................................... 122. 5.2. 第六章. n. 第五章. Ch. engchi. i n U. 5.1.1. 3D 模型設計與運算效能間的平衡 .................................................122. 5.1.2. 硬體成本與效能考量 ....................................................................... 124. 企劃層面分析討論 .................................................................................... 125 5.2.1. 結合景點特色的互動設計 ............................................................... 125. 5.2.2. 連續不間斷的導覽體驗 ................................................................... 130 結論與建議 ........................................................................................... 132. 5.

(8) 6.1. 結論與設計建議 ........................................................................................ 132. 6.2. 後續研究之建議 ........................................................................................ 135. 參考文獻 ....................................................................................................................... 137. 圖目錄圖 1-1 研究流程圖 .......................................................................................................... 15 圖 2-1 擴增實境示意圖 .................................................................................................. 18. 政治大 .......................................................................... 20 圖 2-3 頭戴式視訊螢幕顯示器概念圖立圖 2- 2 混合實境中擴增實境與虛擬實境對於真實／虛擬環境的權重 ..................... 19. ‧ 國. 學. 圖 2-4 頭戴式光學投射顯示器概念圖 .......................................................................... 21 圖 2-5 投射式隱形眼鏡示意圖 ...................................................................................... 22. ‧. 圖 2-6 裸眼 3D 立體顯示技術示意圖 ........................................................................... 24. y. Nat. er. io. sit. 圖 2-7 透明面板顯示手機相關資訊 .............................................................................. 25 圖 2-8 透明面板情境展示應用 ...................................................................................... 26. al. n. v i n Ch 圖 2- 9 應用全像術的「液態空間」時裝秀 27 e n g................................................................. chi U 圖 2-10 內建微型投影機的智慧型手機 ........................................................................ 28 圖 2- 11 Outbreak 遊戲的進行 ....................................................................................... 32 圖 2-12 於 Android 平台上執行的 Layar ...................................................................... 33 圖 2-13 與使用者即時互動的私人助理 ........................................................................ 35 圖 2-14 Timewarp 導覽的實況....................................................................................... 36 圖 2-15 Timewarp 的導覽介面與低面數模型............................................................... 37. 6.

(9) 圖 2-16 手機中所顯示的擴增實境重建影像 ................................................................ 39 圖 2-17 VGH 鬼魂探測器介面 ...................................................................................... 41 圖 2-18 VGH 擴增實境鬼魂示意圖 .............................................................................. 41 圖 2-19 Star Wars Arcade 結合現實世界的遊戲場景 ................................................... 42 圖 2-20 AR-Figure 利用標籤定位的互動方式 .............................................................. 43 圖 2-21 Eyepet 可使用玩家的手與寵物互動 ................................................................ 44 圖 2-22 3D 圖形的多面構成方式 .................................................................................. 47. 政治大. 圖 2-23 Poly 建模的構成方式 ....................................................................................... 49. 立. 圖 2-24 Patch 建模的構成方式 ...................................................................................... 50. ‧ 國. 學. 圖 2-25 NURBS 建模的構成方式 ................................................................................. 51. ‧. 圖 2-26 建立一個 Multi/Sub-Object 的多維材質球...................................................... 53. sit. y. Nat. 圖 2-27 利用 Map ID 編號，將不同模型區塊對應到不同的材質球上 .....................54. io. al. er. 圖 2-28 針對不同區塊的模型，進行 UVW Map/Unwrap UVW 的拆解 ................... 54. v. n. 圖 2-29 將繪製完成的貼圖，貼回到 3D 模型上，完成貼圖繪製 ............................ 55. Ch. engchi. i n U. 圖 2-30 凹凸貼圖的表現方式 ........................................................................................ 56 圖 2-31 透明貼圖拆解後的示意圖 ................................................................................ 57 圖 2-32 利用透明貼圖來達到複雜形狀的省面 ............................................................57 圖 2-33 燈泡鎢絲部分的素模與 Brazil r/s 運算後的金屬玻璃材質 ...........................58 圖 2-34 燈座部分的素模，與 Brazil r/s 運算後的霧面金屬效果 ............................... 58 圖 2-35 關鍵格（Keyframing）的動作製做 ............................................................... 59 圖 2-36 藉由 Endorphin 軟體所運算的動力學動畫 ..................................................... 60. 7.

(10) 圖 2-37 動作擷取系統實際著裝情況 ............................................................................ 60 圖 2-38 精細的 3D 模型，容易對電腦造成較大負擔 ................................................. 62 圖 2-39 使用不同的減面方式，減輕運算的負擔 ........................................................63 圖 2-40 遊戲角色建模應盡量保持面數低，且顧及角色之特色 ............................... 64 圖 2-41 利用光影貼圖所運算完成後的遊戲場景 ........................................................65 圖 2-42 符合貼圖規格的 3D 虛擬實境場景 ................................................................. 66 圖 2-43 比單機遊戲面數更為低的 3D 模型 ................................................................. 68. 政治大. 圖 2-44 MARGE 的物理效果（左），MARGE 製做的擴增實境遊戲（右） ...........70. 立. 圖 3-1 目前規劃的遊戲系統架構圖 .............................................................................. 75. ‧ 國. 學. 圖 4-1 馬偕牧師相片與頭像雕塑 .................................................................................. 79. ‧. 圖 4-2 低、中、高三種精細度的角色素模 .................................................................. 80. sit. y. Nat. 圖 4-3 低、中、高三種精細度的角色成模 .................................................................. 80. io. al. er. 圖 4-4 近距離下觀看中精細度的角色成模 .................................................................. 81. v. n. 圖 4-5 融合設計後的模型版本 ...................................................................................... 82. Ch. engchi. i n U. 圖 4-6 近距離下觀看局部精細化模型版本 .................................................................. 83 圖 4-7 低、中精細度模型於「較高效能手機中」的運作情形 .................................. 85 圖 4-8 高精細度與局部精化模型於「較高效能手機中」的運作情形 ...................... 85 圖 4-9 低、中精細度模型於「較低效能手機中」的運作情形 .................................. 86 圖 4-10 高精細度與局部精化模型於「較低效能手機中」的運作情形 .................... 86 圖 4-11 型面數與效能指線圖 ........................................................................................ 88 圖 4-12「較高效能手機」單獨運算「圖型辨識」（左）與「算圖」（右）的情形 . 89. 8.

(11) 圖 4-13「較低效能手機」單獨運算「圖型辨識」（左）與「算圖」（右）的情形 . 89 圖 4-14「局部精化模型」於「較高效能手機」硬體負載權重換算 ......................... 90 圖 4-15「局部精化模型」於「較低效能手機」硬體負載權重換算 ......................... 90 圖 4-16 敘事人物架構圖 ................................................................................................ 92 圖 4-17 老街區景點路線圖 ............................................................................................ 95 圖 4-18 古蹟區景點路線圖 .......................................................................................... 100 圖 4-19 系統於紅毛城附近，撥放語音故事內容 ......................................................106. 政治大. 圖 4-20 上坡處的擴增實境法軍攻擊 .......................................................................... 108. 立. 圖 4-21 上坡途中，系統繼續撥放語音故事劇情 ......................................................109. ‧ 國. 學. 圖 4-22 擴增實境的槍枝拆解動畫 .............................................................................. 110. ‧. 圖 4-23 清兵受虐的全像投影 ...................................................................................... 112. sit. y. Nat. 圖 4-24 擴增實境的醫療互動 ...................................................................................... 112. io. al. er. 圖 4-25 擴增實境的藥水傳遞介面 .............................................................................. 113. v. n. 圖 4-26 地牢區內的擴增實境劇情 .............................................................................. 114. Ch. engchi. i n U. 圖 4-27 以擴增實境呈現操作砲台的清朝士兵 .......................................................... 116 圖 4-28 擴增實境的火燒領事館特效 .......................................................................... 117 圖 4-29 互相砲擊的戰船動畫 ...................................................................................... 118 圖 4-30 紅毛城任務完成後，系統轉換為語音導覽模式 .......................................... 119 圖 4-31「淡水紅毛城」任務規劃概念圖 ................................................................... 121 圖 5-1 頭部精細化處理前／後 .................................................................................... 123 圖 5-2 新科技敘事模式架構圖 .................................................................................... 125. 9.

(12) 表目錄表 2-1 行動擴增實境技術辨識方式比較 ...................................................................... 29 表 4-1 較低、較高效能手機規格表 .............................................................................. 84 表 4-2 不同精細度模型應用於「較高、較低效能手機中」的運算結果 .................. 87 表 4-3 不同精細度模型於「較高、較低效能手機中」硬體權重換算結果 .............. 91 表 4-4 導覽遊戲流程表（老街區行程） .................................................................... 101 表 4-5 導覽遊戲流程表（古蹟區行程） .................................................................... 103. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 10. i n U. v.

(13) 第一章緒論 1.1. 研究背景與動機相信大家都曾經有過旅遊的經驗，筆者小時候只要每逢假日，都會跟隨家人. 到戶外旅遊，大學以前就幾乎把台灣大大小小的旅遊景點都遊覽過一遍了。但筆者目前僅存的記憶就只剩下曾經到過哪些旅遊景點，而對旅遊景點的內容、特色、與地方風土民情卻沒有深刻的印象。最大的原因莫過於筆者與家人在旅遊前，並沒有習慣做好一趟完整的旅遊規劃，導致到達旅遊景點時，大多只能走馬看花、吃吃喝喝，卻無法深度遊覽、體驗當地旅遊重點，這樣一趟旅程下來所獲得的旅遊內涵並不多。於是筆者開始構思有沒有一套系統可以幫助使用者，讓使用者在. 政治大. 旅遊前不需要經過太多複雜的行程規劃與準備，到達旅遊地區後，此系統就可以擔任最佳嚮導的工作。. 立. ‧ 國. 學. 說到導覽就不得不提到目前市面上普遍應用的 GPS（Global Positioning System）. ‧. 全球衛星定位系統。GPS 系統利用訊號接收器與同步衛星之間的相對位置關係，. y. Nat. 紀錄 GPS 衛星所傳送而來的訊號時間，然後比對收到訊號的時間長短，就可以計. io. sit. 算出使用者與衛星之間的距離，求得使用者在地球上的正確位置。例如現在普遍. n. al. er. 應用的「汽車導航系統」，就是利用 GPS 計算出使用者所在位置後，根據使用者所. i n U. v. 設定的目的地，給予使用者明確的方向指示，引導使用者到達正確目標。所以 GPS. Ch. engchi. 可說是目前相當熱門、且受人矚目的一項科技，近來也有廠商將 GPS 系統應用於行人導覽，使用者到達導覽區域後，可以根據使用者所在位置，播放出此地相對應的語音內容，介紹使用者所在位置的相關資訊。但這類 GPS 的應用多只侷限於「將使用者引導到正確的目的地」，卻沒有清楚的告知使用者，到達某一遊覽地區後「該如何進行遊覽」，更無法替使用者規劃一套豐富有趣的旅遊行程。本研究希望能夠基於 GPS 定位技術的概念，並加入更多的旅遊機制以增加導覽豐富度。. 11.

(14) 目前商業上的行動導覽系統，大多是採用 2D 圖示為主的視覺導覽，原因是 3D 圖像應用於行動導覽，比起 2D 圖像需要更為複雜的運算技術。由於這個複雜的計算，讓 3D 行動導覽需要耗費大量的硬體資源，而目前行動裝置的運算能力，還不足以承受如此複雜的 3D 運算，過於複雜的 3D 運算會讓行動裝置的運行變得緩慢，甚至無法運作或顯示錯誤。雖說 3D 應用於行動裝置有著上述的限制，但若能將適當的 3D 影像技術應用於行動導覽，不但能夠獲得比 2D 圖像更為豐富的物體深度與空間感，互動過程中也可透過 3D 影像立體的屬性，達到更多互動方式的可能。. 政治大. 3D 影像有許多用途，其中一種是擴增實境（Augmented Reality），為了讓 3D 影像有更為合適的顯示平台，本研究採用了此種顯示技術。擴增實境能將真實世. 立. 界的影像、素材和資料，與電腦所產生的虛擬物件相互疊合，進而產生複合式的. ‧ 國. 學. 視覺觀感與使用者經驗。但擴增實境技術就如同 3D 影像技術一般，需要耗費大量的硬體運算資源，故想要將 3D 影像結合擴增實境所面臨的技術挑戰，就是在顯示. ‧. 品質與裝置的運算能力中，取得適當的平衡，讓更多知識與影音視覺的創意能夠. sit. y. Nat. 被實現，提高使用者參與互動的意願。設計者也能在現有的旅遊環境中，添加更. io. n. al. er. 豐富的旅遊資訊，藉以增強遊覽的可能性。. 1.2. 研究目的. Ch. engchi. i n U. v. 本研究的第一個目標，是希望能理解將 3D 應用於 Unity 擴增實境引擎上的運算瓶頸與限制，並基於這些限制研究出一套能夠正確顯示行動導覽之 3D 內容，且硬體運算負擔又不至於超載的導覽系統。然後將其應用於智慧型行動裝置上，利用其特性發展出創新的導覽模式。. 為了讓導覽過程更加豐富有趣，本研究第二個目標將擴增實境導覽與遊戲結合，希望創作出一套符合 3D 擴增實境應用之導覽系統。在系統載具方面，由於目前智慧型行動裝置已漸為普及，故本研究之導覽裝置運算硬體也將由大型電腦主. 12.

(15) 機，移植到行動裝置上，希望藉由行動裝置的可攜性，使導覽系統更為個人化、客製化，使用者到了古蹟名勝，雖然沒有導覽員，也可利用智慧型行動裝置，馬上獲得旅遊景點相關的文史資訊，進行深度遊覽。. 1.3. 研究流程與架構初期將探討「擴增實境」的技術發展與相關之應用領域，接著進一步探討 3D. 運算應用於擴增實境的可能性與其技術限制、擴增實境引擎與 3D 模型間的搭配，如：3D 模型面數的控制、材質貼圖的精確度，與動畫的影格數限制……等。詳細探討與理解這些限制後，總結出最適用於擴增實境導覽情境的 3D 模型建構方式，. 政治大並加入無間斷的「語音串流導覽」與「網路社群連線機制」等兩大概念，設計符立與合適的擴增實境引擎。最終希望能將 3D 影像與現實世界中的旅遊景點相疊合，. 合導覽情境應用之遊戲，將使用者之視覺、聽覺提升到較高的層次，產生不同於. ‧ 國. 學. 以往的導覽體驗。. ‧. 本研究共分為六個章節，架構圖如圖 1-1 所示。各章節的內容，分別敘述如下：. sit. y. Nat. io. er. 第一章針對研究主題作概略的介紹，分別針對研究主題的背景條件、研究目的與研究範圍的界定等加以敘述與說明，讓讀者可以清楚的了解本論文的基本架. al. n. 構與主要目標。. Ch. engchi. i n U. v. 第二章針對 3D 運算與擴增實境技術的文獻做收集整理與分析，並分別說明其定義、現今應用、與可能的技術困難，釐清 3D 實境技術應用的可能性。. 第三章說明本研究之創作計劃，包含導覽情境的設計動機與構想，並將創作劃分為「實作」與「企劃」兩層面加以探討，訂定系統實作之目標。. 第四章遵循創作計畫之內容，首先進行「實作」層面下，3D 擴增實境效能測試，接著進行「企劃」層面之數位內容創作。. 13.

(16) 第五章分別針對「實作」與「企劃」兩層面之創作成果，分析與探討 3D 擴增實境應用於行動導覽之可行性，與擴增實境之數位內容創作心得。. 第六章針對本論文「3D 擴增實境應用於行動導覽之設計」，提供後續研究與創作設計之建議。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 14. i n U. v.

(17) 訂定研究主題. 文獻探討擴增實境技術. 3D立體影像. 創作計劃. 設定整體遊戲架構. 立. 政治大規劃「嶄新導覽經驗」之導覽模式. 規劃旅遊景點資料的收集模式. ‧ 國. 學. 訂定擴增實境系創作目標. ‧. 依據創作計劃，探討所需製作的3D擴增實境模型. n. al. er. io 實作層面. sit. y. Nat. 創作內容. Ch. v. 企劃層面. engchi. i n U. 創作結果分析與討論實作層面分析. 企劃層面分析. 結論與建議結論與設計建議. 後續研究之建議圖 1-1 研究流程圖. 15.

(18) 1.4. 研究範圍界定本篇論文所欲研究的範圍在於 3D 擴增實境應用於行動導覽之設計，並針對本. 論文題目做下列的範圍界定：. 1.. 遊覽景點的選擇：本研究選擇台北地區景點豐富且具有文化內涵與特色店家的淡水鎮，做為導覽規劃的所在地。但其中因考量到研究時程規劃與人力成本的限制，無法將該區所有景點都納入其中，故本研究目前是將導覽流程設定為短程區域導覽，以增加行程規劃的可能性。. 政治大增實境的技術限制為主要目標，如：更精確的定位，更多元的註冊方式......等。立但本研究並不是一篇以技術為導向的論文，本研究主要方向是鎖定在「現行構思與實作的限制：現今大多數技術導向的擴增實境研究，是以如何突破擴. 學. ‧ 國. 2.. 擴增實境技術的導覽應用設計」，探討核心會聚焦於擴增實境的「應用」，並列舉相關案例驗證其可行性，希望可以藉由擴增實境規劃出一套創新的導覽. sit. y. Nat. 行動裝置的選擇：本研究的重點是聚焦於擴增實境導覽的視覺體驗，目的是. io. er. 3.. ‧. 體驗。. 希望設計出符合導覽應用的 3D 模型，並利用擴增實境技術加以呈現。硬體載. n. al. Ch. i n U. v. 具方面，也因考量到使用者導覽過程中的可攜性與便利性，使用智慧型手機作為操作平台。. 4.. engchi. 擴增實境引擎的選擇：目前市面上有各種可用來概念實作的擴增實境引擎，但因考量到導覽情境的呈現與應用，本研究將會選擇 3D 模型呈現效果較佳的 Unity 擴增實境引擎，作為本研究的呈現工具。. 5.. 導覽系統的完整性：本研究的主要目的是提供一個新形態的導覽概念，內容主要聚焦在故事、影音效果、與互動模式間的平衡，而不是撰寫一套完整的商業導覽軟體，所以在系統設計的細節上，例如：介面、圖示、路線指示……. 16.

(19) 等，無法全面顧及。但本研究會將系統設計過程中可能遇到的相關議題，統整於第六章「後續研究之建議」，提供後續研究參考。. 6.. 3D 模型設計上的限制：本研究受限於研究時程規劃的限制，所以在 3D 模型的藝術性、逼真度與美觀上，還不到市面電影特效公司或商業遊戲的水準。但本研究所設計的 3D 模型，主要目的是在導覽情境的「模擬」與「示意」，未來若是應用於商業上，可以先繪製故事內容的分鏡腳本，並對角色做細節做規劃設計，提升視覺感受。. 虛擬故事與正史間的差異性：本研究基於淡水地區的文史內容，加以改編創. 政治大. 作出豐富的導覽經驗，所以遊客在導覽過程中所體驗互動的內容，會是一個. 立. 時空交錯的故事設計。基於故事張力與畫面呈現的需求，本研究在故事劇情. 學. 與角色設計上都與正史有所差異。為了避免遊客將故事內容，誤認為正史的. ‧ 國. 風險，系統會於一開始就告知使用者，導覽內容並非全是真實歷史事件，以. ‧. 免混淆遊客的歷史概念。本研究宗旨，是希望設計出一套豐富有趣的導覽歷. io. sit. y. Nat. 程，並於導覽結束後激發遊客對歷史學習的「動機」。. n. al. er. 7.. Ch. engchi. 17. i n U. v.

(20) 第二章文獻探討文獻探討主要分為兩大部分，分別探討擴增實境與 3D 運算的演進、現今應用案例與目前發展可能遇到的技術瓶頸，並加以整理探討。最後提出結合其它互動裝置與硬體設備後的未來發展。. 2.1. 擴增實境擴增實境是一種新型態的人機介面，可用來補充現實環境中所不足的資訊。. 使用者可藉由這種方式將電腦運算所產生的虛擬物件，疊加到現實世界中進行互動，讓使用者產生身臨其境的感覺。擴增實境通常使用攝影機捕捉環境資訊影像，. 政治大. 再經過電腦主機運算後，將開發者所欲呈現的訊息與先前攝影機所捕捉的影像，. 立. 相互疊合在一起，並同時顯示在顯示器上，如圖 2-1 所示。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-1 擴增實境示意圖 (資料來源：馬宗銓、鄭登元，2010). 18.

(21) 與擴增實境概念上相當類似的還有虛擬實境。其與擴增實境不同之處在於，虛擬實境是藉由電腦產生的虛擬物件，將現實環境完全的覆蓋。為了清楚定義虛擬實境與擴增實境兩者之間的差異， Milgram、Takemura、Utsumi 與 Kishino（1994）進行了詳細的實境技術探討，並提出了「現實與虛擬世界的連貫性」（reality-virtuality continuum）理論，將現實環境與虛擬環境視為一封閉的集合，如圖 2-2 所示。圖的左邊代表完全真實的現實世界，圖的右邊代表完全由電腦生成的虛擬環境，而在兩端點間的區域則表示現實與虛擬環境間的物件會交疊在一起同時顯示（Milgram 等人，1994）。Milgram 等人（1994）將其中間區域定義為混合實境（Mixed Reality）。由圖可看出，中間偏左真實環境權重較為高的稱為「擴. 政治大. 增實境」，中間偏右虛擬環境權重較為高的稱為「虛擬實境」。. 立. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. 圖 2- 2 混合實境中擴增實境與虛擬實境對於真實／虛擬環境的權重. n. al. Ch. i n U. v. （資料來源：Milgram 等人，1994）. engchi. Azuma（1997）也將擴增實境定義為虛擬實境的另一種變化型態。擴增實境利用疊加的方式將虛擬物件放置到現實環境中，故使用者的視野將同時提供真實與虛擬的雙重感受；而虛擬實境是將使用者完全導入到虛擬環境中，它會完全取代使用者對現實世界的觀感，讓使用者完全沉浸於虛擬世界中。簡單的說，擴增實境還保有一部分的現實觀感，而虛擬實境是將現實觀感完全以虛擬物件取而代之。 Azuma（1997）提出擴增實境應具備三種必要的屬性：（1）結合虛擬與現實世界、（2）能與使用者即時的互動、（3）必須在 3D 立體環境中運作。. 19.

(22) 2.1.1. 擴增實境顯示技術. 擴增實境科技是一項視覺增強的技術，所以與顯示技術的關聯性相當大。由 Milgram 等人（1994）與 Vallino（1998）的研究可得知，擴增實境的顯示技術，主要可分為頭戴式與非頭戴式兩種。. 2.1.1.1. 頭戴式顯示技術：. 頭戴式視訊螢幕顯示方式（Video See-through Head Mount Display）是廣泛應用於擴增實境的顯示方式。這種顯示方式會在頭戴式顯示器上架設攝影鏡頭與追蹤器，並將追蹤器所捕獲的資訊，傳達到運算主機，經過運算之後將攝影機所捕. 治政大平面上呈現給使用者，如圖 2-3 所示。立. 獲之現實影像與電腦所產生之虛擬影像疊合，便可將真實與虛擬畫面組合於同一. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-3 頭戴式視訊螢幕顯示器概念圖（資料來源：Azuma，1997）. 頭戴式視訊螢幕顯示有以下特點：（1）方便後製：使用者所看到的真實世界，是經由攝影機轉錄而成的，所以會以視訊的方式呈現，是屬於轉換過的第二手影. 20.

(23) 像，開發者如果有需要，可以任意的對真實世界的影像做不同的處理後，再與虛擬物件進行疊合。（2）固定焦聚：真實世界的影像經由電腦處理後，會與疊加的虛擬物件同時顯示在畫面上，所以可以獲得一樣的視覺焦聚，並不會因為真實世界與虛擬物件的距離不同，而產生兩種不同的焦距差。（3）容易疲勞：利用攝影機所捕獲的真實世界，影像品質較肉眼所看到的現實世界低上許多，疊加上虛擬影像後容易顯得不真實，且電子螢幕的顯示方式，在長時間使用後容易造成眼睛疲勞。. 頭戴式光學投射顯示方式（Optical see-through Head Mount Display）則可讓使. 政治大. 用者透過鏡片直接看到真實的環境，同時在鏡面上投射出虛擬的物件。搭配上追蹤器，可取得使用者所面對的方位資訊，將虛擬物件疊合在正確的位置，如圖 2-4. 立. 所示。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-4 頭戴式光學投射顯示器概念圖（資料來源：Azuma，1997）. 頭戴式光學投射顯示有以下特點：（1）未經壓縮的影像品質：使用者可以透過光學鏡片看到清晰的真實世界，所以真實世界的影像品質並不會因攝影機的壓. 21.

(24) 縮而改變，使用者可以看到較為自然的真實世界影像，提高可視性。（2）透明狀的虛擬物件：虛擬物件是以投影的方式，直接投射在光學鏡片上，所以會呈現透明狀，無法完全的將真實世界遮蓋，所以真實世界與虛擬的影像會混合在一起顯示，容易造成使用者的視覺混亂。（3）前後不同的焦聚差：真實與虛擬物件並不是顯示在同一平面上，虛擬的物件因為投射於鏡片上，會獲得較近的焦距，而透過鏡片所看出去的現實世界，會聚焦在較遠的位置，所以使用者眼睛需要在這兩種焦距間不斷轉換，長期使用同樣會造成眼睛疲勞。. 關於頭戴式顯示技術的未來發展，目前華盛頓大學（University of Washington）. 政治大. 一組研究團隊正在開發一款能將影像直接投射到視網膜上的隱形眼鏡，見圖 2-5。華盛頓大學研究員 Parviz 表示，此裝置希望能夠將清晰的影像浮現在使用者眼前. 立. 50 公分至 1 公尺處（Venkatraman, 2009）。這對於頭戴式顯示裝置將是一大革命，. ‧ 國. 學. 大大提升其應用性與便利性。研究人員也提到未來可能的應用，例如使用者聆聽外語演講時，就可透過隱形眼鏡看到所投射出的，即時擴增實境字幕翻譯. ‧. （Venkatraman, 2009）。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-5 投射式隱形眼鏡示意圖（資料來源： Venkatraman，2009）. 22.

(25) 2.1.1.2. 非頭戴式的顯示裝置. 基於視訊螢幕的擴增實境顯示技術（Monitor-based Augmented Reality Display）與頭戴式視訊螢幕顯示方式的原理大致相同，都是透過攝影機擷取影像後，將轉錄過的影像顯示在電子螢幕上，與頭戴式視訊螢幕顯示方式較為不同的是，基於視訊螢幕的顯示技術並非將眼鏡型的電子螢幕直接戴在頭上，而是將真實與虛擬疊合後的視訊影像，顯示在大型電腦螢幕上，算是一種較為普及的顯示系統，使用者不需穿戴昂貴的設備，大大減輕了使用者的負擔。近年來隨著智慧型手機與平板電腦等硬體裝置的不斷提升，許多擴增實境的應用平台，將逐漸從電腦螢幕移植到行動裝置的螢幕上，因為行動裝置可提供比電腦更高的機動性與互動性，. 政治大. 藉由行動裝置內建的感測器，可提供更多元的擴增實境應用。. 立. 關於非頭戴式顯示技術之未來發展，目前已有廠商開發出一種不需要借助於. ‧ 國. 學. 3D 立體眼鏡的 3D 立體顯示技術。使用者可以直接在螢幕上看見突出的 3D 影像（特別是液晶螢幕），見圖 2-6。以液晶顯示器為平台，「裸眼 3D 立體顯示技術」可以. ‧. 與非頭戴式擴增實境技術結合，提升視覺效果，更可將裸眼 3D 擴增實境影像，應. n. al. er. io. sit. y. Nat. 用於教育、娛樂、商品展示、科學研究等用途。. Ch. engchi. 23. i n U. v.

(26) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. io. sit. 圖 2-6 裸眼 3D 立體顯示技術示意圖. n. al. er. （資料來源：愛爾得資訊股份有限公司網頁）. Ch. engchi. i n U. v. 另一項是透明面板的發明，三星電子（Samsung Electronics）在「SID 2010」發表了透過螢幕可以看到其後方真實世界的液晶面板。三星電子在面板的後面放置了酒瓶、酒杯等透明度較高的物體，都可一覽無遺，可見其面板透射率之高。飛利浦公司正在研發新的透明 OLED 面板技術。飛利浦公司表示，在未來 3～5 年，透明 OLED 面板就會在市場中出現。. 應用透明面板，未來行動裝置就可以不必再透過後方攝影機擷取現實世界的影像，使用者大可直接透過面板看到後方真實世界，這對於擴增實境的可視性幫助相當大，也大大的減輕了行動裝置運算效能的負擔，應用上也將更為靈活，使. 24.

(27) 用者拿著透明面板就可以直接選擇現實世界中的物件進行擴增實境的互動。以下圖 2-7、2-8 為 Windows Phone 透明概念手機的應用情境：. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 2-7 透明面板顯示手機相關資訊. i n U. v. （資料來源：mikiy2056，2010）. Ch. engchi. 25.

(28) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. n. v i n C透明面板情境展示應用圖 2-8 hengchi U （資料來源：mikiy2056，2010）. 第三項是全像術（Holography），Holo 在希臘文中意思為「全部」，gram 是「圖樣」或「影像」的意思，Holography 代表完全的影像技術（張庭樵，2009）。全像術是利用光學原理，在特殊的立體鏡片上形成 3D 立體影像，不受限於傳統螢幕的顯像方式，僅能在 2D 表面上通過透視、陰影等效果實現立體感，全像術是真正呈現 360 度的 3D 影像，觀眾從任何角度觀看影像皆不會失真（Emily，2010）。全像術還有其他令人驚訝的特質，如果把一張完整的全像圖分成兩半，則每一半都可. 26.

(29) 以呈現完整的全像圖。如果使用放大鏡觀看全像圖，就可以呈現真人大小的真實影像。全像術整體的發展，已由傳統靜態型式的全像片（例如：證件、鈔票與信用卡上的雷射防偽標籤），發展至今日具有動態性（dynamic）、即時性（real-time）和體積性（volume）的全像（張庭樵，2009），目前已有廠商應用於大型的表演舞台，見圖 2-9。雖然目前的全像術大多是在大型投影裝置的環境下完成，但目前已有廠商開發了「雷射微型投影機」，雷射微型投影機最高可支援 1080P（1920 x 1080 畫素）的 Full HD 影像，它結合了三個獨立雷射驅動器於一身，體積大幅縮減 75%，耗電量也減少了 30%，相當適用於以電池作為電源的小型消費電子產品（例如：智慧型手機、數位相機/數位攝錄影機、可攜式多媒體播放器、行動運算裝置、數. 治政大機」相結合，使用者利用手持裝置，就能在現實環境中直接看到等身大小的虛擬立影像，且不需再受限於手持裝置上的螢幕尺寸，作更為真實且直覺的互動。. 位相框）（賴宏昌，2009），見圖 2-10。未來若能將「全像術」與「雷射微型投影. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2- 9 應用全像術的「液態空間」時裝秀（資料來源：張庭樵，2009）. 27.

(30) 學. 圖 2-10 內建微型投影機的智慧型手機（資料來源：Engadget）. ‧. ‧ 國. 立. 政治大. 擴增實境辨識技術. 2.1.2. y. Nat. sit. 擴增實境顯示技術所顯示出來的影像，包含了真實與虛擬兩種物件內容，其. n. al. er. io. 中如何正確的辨認真實世界的物件，並準確的將虛擬物件疊加於真實世界的正確. v. 位置上，就需要利用擴增實境的辨識技術，而擴增實境的辨識技術主要分為以下三種：. Ch. engchi. i n U. （1）使用特定標記或圖形號誌進行解碼辨識：此種方式會在需要辨識的實體物件或位置前，擺放經由電腦註冊過的特殊圖形標記，當辨識系統的攝影機照到這些特定的標誌時，就可以準確的辨認出來，並將需要疊加的內容直接疊加於這些特定的標誌上，也因為辨識的物件僅限於標誌，所以只要照射角度正確，通常都可獲得不錯的辨識效果，但如果辨識標誌位於較遠的距離，或較為特殊的角度，就無法正確的辨識。目前使用特定標記或圖形辨識的平台主要有以下開發工具：ARToolKit、NyARToolkit、FLARToolKit、 ARTag SDK、MARGE 、QCAR SDK，這些開發工具將於下面章節介紹。. 28.

(31) （2）使用電腦視覺直接辨識與運算不同的特徵物件：此種方式比起使用特殊標誌的辨識方式更加直覺，不需依賴特定的符號卡，只需要將攝影機對準現實世界的環境，辨識系統就可以清楚的辨識出現實世界中的物件，哪些是需要進行虛擬物件疊加的，就好比系統擁有一雙媲美真人的眼睛一般，但這類的辨識方式需要耗費大量的硬體運算資源與龐大的資料庫，才能讓系統辨識出所有正確的物件，且此種辨識方式在光源不足的場所，容易受到影響。目前使用電腦視覺的辨識方式，主要有以下開發工具：OpenCV、 D’Fusion、SREngine SDK、Unifeye SDK。. 政治大. （3）使用 GPS 與電子羅盤的定位方式：此方法利用 GPS 與電子羅盤定位完成後，. 立. 自動判斷使用者所在的位置與所面對的方向，並依據使用者所在的相對關. ‧ 國. 學. 係位置，進行不同方位的物件辨識疊加，此種方法比起前述兩種方式，更適用於遠距離辨識，辨識範圍相當廣泛，但因受限於 GPS 硬體本身定位的. ‧. 誤差，無法做到近距離的精準辨識，且室內誤差更大甚至無法使用。使用. y. Nat. GPS 與電子羅盤的定位方式主要有以下代表開發工具：Layar、Wikitude. n. al. er. io. sit. World Browser。擴增實境辨識技術整理如表 2-1 所示。. i n U. v. 表 2-1 行動擴增實境技術辨識方式比較影像辨識方式. Ch. 優點 A.. e n g c技術瓶頸與限制 hi. 短距離辨識較為 A.. 準確。用特定標記或圖形號誌進行解碼辨識. B. 開發工具目前支. 遠距無法辨識或. I.. ARToolKit. 辨識不準確。. II.. NyARToolkit. B. 辨識需要依靠額. 援較高面數 3D. 外的擴增實境辨. 模型，較流暢的. 識標籤。. 視覺效果。. 29. 代表開發工具. III. FLARToolKit IV. ARTag SDK V.. MARGE. VI. QCAR SDK.

(32) 使用電腦視覺直接辨. A.. 辨識方式較為直. A.. 料庫與運算資. 覺。. 識與運算不同的特徵. 源。. B. 室內外皆可直接. 物件. I.. OpenCV. II.. D’Fusion. III. SREngine SDK. B. 辨識結果容易受. 使用。. 使用 GPS 與電子羅盤. 需要耗費龐大資. IV. Unifeye SDK. 到光源的影響。. 容易進行遠距的. A.. 辨識。. 的定位方式，判別使. A.. B. 利用經緯度與伺用者所在位置與所面服器資料庫，可. 對的方向後，進行擴. I.. Layar. 誤差。. II.. Wikitude. World. Browser. B. 室內無法使用。. 快速建立與修改. 增的疊加. GPS 定位容易有. POI 位置。. 立擴增實境之應用. ‧ 國. 學. 2.1.3. 政治大. 擴增實境過去已經普遍應用於不同的領域，包括：教育、學習、娛樂和培訓，. y. Nat. 擴增實境應用於學習. sit. 2.1.3.1. ‧. 本節將探討與本論文「3D 擴增實境應用於行動導覽之設計」相關之擴增實境應用。. er. io. 目前擴增實境應用於學習，商業市場上還沒有較為完整的案例，但擴增實境. al. n. v i n Ch 研究中發現孩童對於擴增實境的學習具有較佳的反應（Edris, 2009）。該研究利用 engchi U. 學習目前已被廣泛應用於學習成果的研究領域所使用。英國廣播公司（BBC）的. 擴增實境設計了一個地球、太陽和月亮的互動遊戲，並讓 10 歲的孩童進行這個遊戲，希望孩童可以藉由擴增實境的 3D 顯示，了解太陽和地球之間的運動關係。研究結果顯示學習的效果極佳，證實擴增實境是一個合適的教學工具。擴增實境學習讓兒童更具想像力，研究也發現孩童會利用自己的經歷，創造自己的故事，所以孩童們能夠在遊戲情境中自然的學習（Thomas, 2006）。. 另外，也有其他學者的研究證實，擴增實境遊戲可用於成人教學。麻省理工媒體實驗室（MIT Media Lab）的教師教育計劃，就將大量的擴增實境技術應用於. 30.

(33) 課程的教學，其中之一的 Outbreak 教學遊戲，就是頗具代表性的教學遊戲案例。 MIT Media Lab 教師教育計劃是 MIT 完成度最高的擴增實境遊戲，可以視為擴增實境用於教學一個重要的里程碑。Outbreak 是一個主從伺服器架構的遊戲，在主從伺服器的遊戲架構中，會有一個掌控一切遊戲執行進度的遊戲主機，透過 Wi-Fi （無線網路），這個遊戲主機會與玩家手上的行動裝置保持連結，構成一個完整的連線網路。在這樣的架構之下，遊戲系統就可以即時的掌控每個玩家的位置，並針對玩家所在的位置提供該處所設置的互動。Media Lab 表示，雖然這只是一個小小的技術改進，但卻對遊戲的設計方式帶來很大的變化，因為過去的擴增實境學習遊戲，並沒有這類的網路連線機制，玩家在互動的過程中所完成的任務，例如. 治政大影響到其他玩家，更無法導致遊戲情節的即時轉變，大多只屬於單人的遊戲成就，立這樣的遊戲模式之下玩家間並不存在共同合作或是競爭的關係，會降低遊戲的參與一個虛擬人物談話、撿起一個虛擬物體、或是觸發一個事件，並沒有辦法馬上. ‧ 國. 學. 與感與真實感。. ‧. Outbreak 利用主從伺服器的遊戲架構，將玩家放置於爆發感染的虛擬校園情. sit. y. Nat. 境中。玩家需要組成小隊，評估情勢，並嘗試控制疫情。遊戲期間，玩家都配備擴增實境行動裝置作為他們與現實、虛擬世界之間的橋梁，玩家可以在現實世界. io. n. al. er. 的遊戲過程中，獲得虛擬的物體。而且一個玩家的行為會立即影響到其他玩家。. Ch. i n U. v. 例如，一個虛擬物品被其中一個玩家取得，它就不會再被其他玩家發現，增加虛. engchi. 擬物品的獨特性與價值，而一個玩家完成任務所觸發的事件與成果，也會馬上影響到整體遊戲劇情的發展。Outbreak 的研究結果顯示，擴增實境相當適用於成人遊戲學習，而且效果又會優於一般未加入擴增實境技術的學習遊戲（Liarokapis & Freitas, 2010）。如圖 2-11 所示。. 31.

(34) 立. ‧. ‧ 國. 學圖 2- 11 Outbreak 遊戲的進行. y. （資料來源：Edris，2009）. io. sit. Nat. 擴增實境應用於 2D 標示導覽. n. al. er. 2.1.3.2. 政治大. i n U. v. 擴增實境技術的蓬勃發展，讓現今的景點資訊也由原始的文字敘述，轉變為. Ch. engchi. 可視化圖樣標誌。智慧型手機的兩大平台 iPhone 與 Android 也都推出了支援擴增實境的景點瀏覽器服務，只要使用者在手機上開啟景點瀏覽器，就可以獲得瀏覽器所標示的景點位置、距離，與景點資訊。這個發展也將廣告業提升到另一個層次，各家廠商也針對擴增實境瀏覽器推出了大量的景點標示、廣告與導覽服務。. 人的感官先天對於圖像的敏銳度較高，視覺化後的擴增實境資訊普遍較能讓一般大眾所吸收。但同時，標記位置的精準度也十分重要，因為當位處於較為熱鬧的市區地帶，瀏覽器上將會有相當多種不同的指示標示，如果這些繁複的標示沒有清楚的劃分或是定位不夠準確，使用者就會無法判斷這些標示所代表的正確. 32.

(35) 位置。所以擴增實境瀏覽器需要相當高精確的即時的運算，否則容易讓使用者錯過正確的標示地區（馬宗銓、鄭登元，2010）。目前使用者利用擴增實境瀏覽器已經可以獲得相當多資訊，例如：旅遊景點、餐廳小吃、交通站牌、收訊基地台...... 等。. 提供資訊讓使用者在遊覽過程中可以參酌的方式稱為被動式導覽。目前這類被動式導覽正開始發展，被動式導覽的應用是由使用者自行到達目的地後，系統提供使用者所在地區的相關訊息，所以被動式導覽並不會引導使用者體驗一系列的導覽歷程。其中相當具有代表性的是 Layar。Layar 可將各種不同的景點資訊顯. 政治大. 示在行動裝置的螢幕上，透過圖形化標示告知使用者，景點的位置、距離、機能，讓使用者不需親自到達景點當地，就可以對於遠處的景點有初步的了解，見圖. 立. 2-12。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-12 於 Android 平台上執行的 Layar （資料來源：Layar 官方網站）. 33.

(36) Layar 實境瀏覽器應用了大量的 2D 圖像，這樣可以有效減輕智慧型行動裝置硬體運算的負擔。但使用 2D 圖像的缺點是缺乏三度空間的深度，導致標示容易重疊、凌亂且較為單調，而且無法依照使用者所面對的方向，顯示物件不同的面向，導致某些需要轉動物件的互動無法進行。雖然 Layar 後期版本已經開始支援簡單的 3D，但由於網路傳輸速率的限制，無法支援較高精細度的模型，這樣精細度極低的 3D 模型在呈現上不夠精美，而且容易使人誤判。. 2.1.3.3. 擴增實境應用於 3D 導覽與遊戲. 3D 擴增實境導覽已成為一個新的熱門領域，它通常結合手機遊戲，是一種寓. 政治大. 教娛樂與的應用程式，而這類型的應用稱為主動式導覽，主動式導覽系統不但會對使用者所在位置提供相關的資訊，也會引導使用者到達一系列不同的導覽地點。. 立. 3D 擴增實境導覽遊戲，可以利用全新的 3D 視覺體驗，將過去的景點或人事物，. ‧ 國. 學. 融合在現實世界的時間與空間維度中。提供更高的謎團，更具挑戰的任務，創造豐富的幻想歷程。這些因素被認為是行動遊戲好玩、成功的關鍵（Malone, 1981）。. ‧. 3D 導覽遊戲大量使用了資訊通訊技術（ information and communication. sit. y. Nat. technologies），資訊及通信技術是資訊技術及通信技術的合稱，遊戲系統利用目前越來越為普及的行動通訊裝置，做為玩家與遊戲系統間訊息傳遞的橋梁，克服了. io. n. al. er. 傳統單人遊戲無法情感交流、或只能獲得單人遊戲成就的限制，擴展了新型態的. Ch. i n U. v. 導覽互動模式，讓每個使用者都能融入遊戲的互動情境之中（Herbst, Braun, McCall. engchi. & Broll, 2008）。透過融合真實與虛擬世界，整合了遊戲的故事情節到導覽情境中。因此，此類型的導覽關鍵是，無接縫的合成日常生活與自然環境，利用擴增實境進一步的擴大位置感知，利用真實與虛擬物體間的搭配，模擬使用者存在於不同時間與空間。. 具體而言，擴增實境應用於導覽主要有以下特色（Feiner, MacIntyre, Höllerer & Webster, 1997）：（1）系統會提供一些逼真的訊息，並將其融入 3D 空間的環境中；（2）主要支援戶外使用者，因為相對於室內使用者，戶外使用者有較大範圍的步行空間，定位較為容易。（3）結合多重顯示互動技術，用以補足單一導覽的不足。. 34.

(37) Schmeil 與 Broll 在 2007 年的研究中，發表了一套擴增實境行動助理系統，系統中提供一位行為和溝通能力都模仿真人設計的虛擬秘書，虛擬秘書可看作是一個真人的替代品。虛擬秘書會跟隨著使用者，到任何地方，而且會對使用者發出提醒，針對使用者的問題，做出相關反應。例如使用者今天有約會，如果使用者需要，虛擬助理可以帶領使用者到達約會場所。到達場所後，虛擬助理會對場所做出相關介紹，提供相關訊息。為了看到擴增實境的虛擬助理，使用者必須戴上顯示器，再利用 GPS 接收器定位，電子羅盤感測使用者方向，如圖 2-13 所示。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-13 與使用者即時互動的私人助理（資料來源：Schmeil 等人，2007）. 虛擬秘書具有以下特色與優點：（1）更加保密的私人隱私，虛擬助理不會洩漏私人訊息。（2）擴增實境的視覺輔助，比起單用聽的語音記事更加豐富。但虛擬秘書在模型製作與角色定位上，仍有以下限制：（1）3D 虛擬助理沒有貼圖材質，所以呈現光滑的塑膠感，與環境的真實質感較為不搭。（2）3D 虛擬助理並沒有進行打光，角色看起來較為平淡，缺乏立體感。（3）虛擬角色因為 GPS 註冊不準確，產生不合理的跳動，且因為虛擬助理沒有影子，感覺像漂浮在半空中。. 35.

(38) 隨著主動式導覽研究的發展，開始有研究在主動式導覽中加入遊戲的互動元素，Timewarp 就是一個很好的例子。Timewarp 是由德國訊息應用科技研究所開發的一套擴增實境導覽遊戲，遊戲的主要目的是希望藉由擴增實境顯示技術，設計一套符合當地人文的冒險遊戲，並將當地小精靈傳說融入於導覽遊戲中，使遊戲更為在地化。導覽遊戲範圍是分佈在 Cologne 當地的老街中，面積約 1.5 平方公里。玩家必須跟隨行動裝置的指示須移動到相對應的位置，與虛擬的元素互動。遊戲中包含了三種不同類型的場所：時間入口（可以進入其它時空）、市場（物品買賣，接受任務）及自我訓練場（進行自我訓練）。除了圖像外，Timewarp 也提供了聲音的支援。加入聲音的主要目的是補足當前視覺體驗的不足，其次是為了引導使用. 政治大. 者進行非線性的遊戲（Iris Herbst 等人，2008），使用者實際導覽的情況如圖 2-14 所示。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-14 Timewarp 導覽的實況（資料來源：Iris Herbst 等人，2008）. 36.

(39) Timewarp 有以下特色與優點：（1）豐富的導覽體驗，混合現實與虛擬的 3D 空間與擴增實境動畫，這些動畫可以依據不同的時空背景，製作不同的內容。（2）利用 3D 物件可以模擬玩家在不同的時空中活動，玩家可以看到 3D 物件的各個面相，不像 2D 只是單層圖片，無法多面觀賞，創造一個真實的時空遊戲。Timewarp 也有著以下的限制：（1）因為系統硬體運算的限制，使用面數較為低的 3D 模型進行互動，導致 3D 物件不夠逼真，不容易使人完全的沉浸於情境中。（2）虛擬角色與 3D 物件呈現透明狀，與實際的應用情境不搭，現實世界中的這些物件，並不會呈現透明質感，見圖 2-15。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. n. v i n C h 的導覽介面與低面數模型圖 2-15 Timewarp engchi U （資料來源：Iris Herbst 等人，2008）. 2.1.3.4. 擴增實境應用於 3D 導覽歷史學習遊戲. 先前學者研究證明，遊戲能觸發學習意願，所以近年來許多擴增實境的研究重點被聚焦在古蹟導覽學習之上，因為擴增實境利用虛擬的物件填補現實世界中已殘缺或損壞的古蹟建築，具有古蹟或古文物虛擬重建的可能性。藉由觀看這些古蹟過去的樣貌，幫助使用者學習古蹟遺址，透過遊戲的互動過程，讓學習更為有趣。行動擴增實境導覽系統的優勢在於它攜帶方便，使用者來到古蹟地區，不. 37.

(40) 需要再外加任何硬體設備，利用自身的手機或 PDA 就可進行擴增實境導覽，瀏覽逼真的 3D 歷史圖像。根據 Ardito、Buono、Costabile、Lanzilotti 與 Pederson（2007）的研究結果顯示，遊戲能夠觸發歷史學習的意願，使人願意詳細了解古代歷史，且比過去的方法更加有效。. 遊戲應用於歷史學習，具有下列三種優勢（Cecchini & Taylor, 1987）：. （1）歷史的學習過程通常是乏味的，而遊戲是一種好玩有趣的享受過程，當使用者努力闖關時，可以達到學習的目的，歷史學習遊戲就將歷史課程的內容，融合在遊戲情境當中，利用遊戲愉快的經驗不容易被忘記的特性，達到歷史學習的效. 政治大. 果。（2）進行遊戲時需要同時發展不同的技能，將歷史導入於遊戲，設計者可讓. 立. （3）遊戲是一種「關係」每個玩家在最合適的情境下實踐這些技巧獲得歷史知識。. ‧. ‧ 國. 助衝突管理。. 學. 的活動，可激發合作，合作的過程中玩家間可分享歷史經驗，強化學習效果，幫. y. Nat. Egnathia 古蹟公園考古遊戲，是歷史學習遊戲中一個很值得參考的案例，在. sit. Egnathia 古蹟公園考古遊戲的案例中，遊戲公園內的玩家將會被分成小組，每個小. n. al. er. io. 組由 4-5 名玩家組成：每組都有一個領導者，組隊的用意是希望模擬一個剛剛抵達. i n U. v. Egnathia 的羅馬家庭。每個小組會分配到一台行動電話和遺跡地圖，玩家可以按照. Ch. engchi. 地圖，規劃適合自己的路徑，並在地圖上標記正確的遺跡地點，藉以培養地理概念和組織訊息的能力。玩家到達地點後，會觸發任務目標，並可尋求系統的幫助，系統會給予參與者適當的提示，幫助他們發現正確的地點。遊戲設計者可藉由這些小提示，「規劃與設計」給予遊戲玩家的「歷史學習內容」。當小組發現他們已經確認目標位置後，可利用手機上的攝影機，將攝影機對準圖片上面的視覺標籤進行標記。完成各區的任務後，團隊可以在手機中看到此地點的擴增實境 3D 重建模型，可與目前的遺跡做比對，如圖 2-16 所示。. 38.

(41) 圖 2-16 手機中所顯示的擴增實境重建影像. 政治大. （資料來源：Ardito 等人，2007）. 立. ‧ 國. 學. 此遊戲結合了刺激的尋寶與解謎過程兩項優點，使用者可以自由探索古蹟區域，發現遊戲區域中其隱藏的歷史秘密，藉由遊戲的互動過程，輕鬆的學習歷史. ‧. 古蹟，並利用手機上的古蹟虛擬實境重建系統，了解歷史古蹟的完整外觀。值得一提的是，此遊戲的 3D 虛擬實境古蹟模型，因考慮到手機硬體的運算效能限制，. y. Nat. sit. 所以並不是使用即時運算的 3D 模型，而是在 3D 軟體內將古蹟模型運算成一張張. er. io. 的圖片檔後，再將圖片檔串接起來，創造虛擬實境的環物效果，這樣的方式雖然. al. v i n Ch 讓較為低階的硬體裝置，也能使用此系統，提高系統普及性。 engchi U n. 在操作上的自由度，無法比擬即時運算的 3D，但是卻能大大減低硬體的運算負擔，. 維京獵鬼 Viking Ghost Hunt（VGH）是一個基於地域的冒險遊戲。遊戲中玩家扮演的角色必須調查城市捕獲鬼魂，解決鬧鬼的 Viking Dublin 小鎮。這場遊戲架構是一個神秘且複雜的鬼故事。它是以當地的歷史故事為題材，讓玩家可以高度的沉浸於其中，並學習當地歷史。這同時也是一個故事驅動的遊戲，玩家必須依序解開不同地點的故事劇情，所以 Viking Ghost Hun 徹底利用了城市間的活動空間、移動位置，並且讓玩家扮演各自的角色調查超自然事件。遊戲進度使用以下核心機制（Naliuka, Carrigy, Paterson, Cotton, Jensen & Haahr, 2010）：（1）玩家必須. 39.

(42) 利用手上的導航裝置找出並移動到地圖上特定的鬧鬼地點標誌，見圖 2-17。（2）一旦裝置搜尋到了鬼魂，玩家必須使用探測儀看見擴增實境的鬼魂，如圖 2-18 所示。（3）掃描 /捕獲：看到了鬼魂，玩家必須對它拍照作為證據。（4）利用聲音來紀錄與解碼，收集完一個證據，新的鬼魂就會出現。（5）遊戲難度變化會隨著劇情發展變難。. 以上兩個案例中 VGH 比起 Egnathia 考古遊戲更為完整，不但支援了更為複雜的遊戲機制，且遊戲的互動過程也更為有趣。VGH 改進了 Egnathia 考古遊戲許多的缺點，包含：（1）在 Egnathia 考古遊戲中需要搭配紙本地圖作為方向導覽，而. 政治大. 在 VGH 中，紙本地圖被完全的電子化，且包裝成景點雷達的形式，使用起來更為直覺、有趣。（2）在 Egnathia 考古遊戲並沒有有效的利用手機上的感測裝置（或. 立. 手機上沒有感測裝置），而在 VGH 中卻大量的使用的手機上的這些硬體裝置，如：. ‧ 國. 學. GPS、攝影機、電子羅盤……等，大大的提高了互動的豐富度。（3） VGH 在虛擬角色是採用即時的 3D 運算，且比起 Egnathia 考古遊戲要逼真精美許多，容易讓使. ‧. 用者真正融入當下的歷史情境中，參與歷史學習，但 VGH 需要較為高階的行動運. n. al. er. io. sit. y. Nat. 算裝置才有辦法運行，不如 Egnathia 考古遊戲的普遍性高。. Ch. engchi. 40. i n U. v.

(43) 圖 2-17 VGH 鬼魂探測器介面. 學. （資料來源：Naliuka 等人，2010）. ‧. ‧ 國. 立. 政治大. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-18 VGH 擴增實境鬼魂示意圖（資料來源：Naliuka 等人，2010）. 41.

(44) 2.1.3.5. 其它商業上的擴增實境應用. 星際大戰：獵鷹槍手（Star Wars Arcade : Falcon Gunner）是全球首款 iPhone /iPod Touch 平台上的擴增實境版星際大戰遊戲。遊戲的特色就是利用擴增實境，將空站遊戲的場景轉變為現實世界，玩家在進入遊戲時可以選擇擴增實境模式，遊戲的背景就會透過裝置後面的攝影機變成真實的世界，而敵機就會從四面八方的建築物中飛出來，進行戰役。這對遊戲方式來說是相當大的突破，以往這類型的 3D 遊戲多半是虛擬實境為主，是將玩家引導至一個完全的虛擬情境當中，玩家的沉浸度較低，而 Falcon Gunner 利用擴增實境結合現實環境，突破了這個限制，讓玩家彷彿存在於一個真實世界的戰役當中，大大的提高了玩家的參與感，利用. 政治大. 現實世界的建築，進行更為有趣的互動，見圖 2-19。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-19 Star Wars Arcade 結合現實世界的遊戲場景（資料來源：Apple App Store）. 42.

(45) AR-Figure 是一個利用擴增實境標記定位的商業遊戲，是由日本團隊所研發的產品。遊戲中的虛擬角色會根據擴增實境標記的互動，並做出相對應的動作，遊戲中所呈現出來的角色模型，由於是基於電腦的運算平台，所以比起行動裝置上的擴增實境呈現來的細緻許多，而且還能夠搭配玩家的操作，發出相對應的聲音與動作，遊戲過程中可透過擴增實境標記所製成的操作桿，碰觸畫面中的虛擬角色，與虛擬角色互動，操作桿互動方式的加入，為原本單純的擴增實境顯示技術，添加了更多趣味性，突破了傳統擴增實境只是用來觀賞用的概念，創造了一個聲色俱佳的互動模式，如圖 2-20 所示。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-20 AR-Figure 利用標籤定位的互動方式（資料來源：藝者東京娛樂製作）. EyePet 是 Sony 公司第一個擴增實境電子寵物遊戲。遊戲中的寵物就如同真實的一般，透過攝影機，出現在客廳的桌子（或其它具有空間的平面）上，會跟隨玩家手勢的變化進行互動，玩家可以在桌子上開啟一個虛擬的洞穴，並從中取出. 43.

(46) 更多的玩具或其它道具讓 EyePet 使用。EyePet 這樣的互動方式，明顯的又將擴增互動帶領到另一個更高的層次，EyePet 擁有比起 AR-Figure 更為細緻 3D 角色模型與聲光效果，使人更容易沉浸於遊戲世界中。EyePet 的互動模式也更為先進，直接利用玩家的手，取代了 AR-Figure 的標記桿，讓互動方式更加直覺，遊戲過程中玩家只需要使用自己的手，觸摸螢幕中的虛擬角色，就可以對虛擬角色做出不同的互動，彌補了標記方式需要依賴標記才能互動的缺陷，見圖 2-21。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. v i n Ch （資料來源：Brianemone,2008） engchi U. n. 圖 2-21 Eyepet 可使用玩家的手與寵物互動. 2.1.3.6. 小結：. 綜合以上應用可得知，擴增實境是一種相當多元的媒體創作工具，它可以融合出各種不同的數位產品，所以在初期的應用設計上必須釐清使用的範圍、情境、與使用族群，針對不同的目標族群，設計不同的擴增實境應用情境。適當的應用擴增實境，可以幫助使用者獲得在現實環境中，所無法獲得的資訊，設計者則可以利用擴增實境補充甚至是改變現實世界固有的觀感。. 44.

(47) 由案例的探討可得知，擴增實境導覽應用主要可分為被動式導覽與主動式導覽兩種導覽模式，其目的無不都是希望可以藉由硬體科技的發展，將導覽內容以更多面向的方式呈現，並將導覽帶領到一個更高的層次。所謂被動式導覽，就是在導覽過程中，系統並不會給予使用者任何的方位指示與行程規劃，只有在使用者到達某些特定景點時，系統才會提供該景點相關的內容介紹；而所謂的主動式導覽則是會在導覽一開始，就替使用者規劃一套完整的導覽行程，且會一步步的引導使用者到達不同的行程景點。兩者的共通處在於到達特定景點後都會提供使用者相關的景點介紹與訊息提示，而主動式導覽又比起被動式導覽多加入了「行程規劃」與「景點導航」的功能，讓使用者到達導覽區域後，會有一定的目標與. 治政大主動式導覽可看作是被動式導覽的改良版，並使導覽經驗更加完整、直覺，藉由立「景點導航」功能系統會主動帶領使用者實際體驗更豐富有趣的導覽歷程，透過方向，不會迷失於導覽區域中，所以目前新的導覽應用將會朝向主動的模式發展。. ‧ 國. 學. 遊戲互動內容的設計與「行程規劃」，在導覽過程中將更多知識性或商業價值內容導入其中，這可以融合出更為完整的導覽流程，視覺體驗也更加精進，透過將 2D. Nat. sit. y. ‧. 圖像轉為 3D 模型的過程，創造更多面向的互動情境模式。. 2D 與 3D 這兩種擴增實境的顯示方式，由文獻的探討中可得知，擴增實境導. io. n. al. er. 覽應用可依照不同的使用情境與硬體資源，選用不同的擴增實境呈現方式，2D 介. Ch. i n U. v. 面的顯示方式較不耗費硬體運算資源，但卻只能提供簡單的方向指示與圖騰，無. engchi. 法做到較為複雜的互動，且在複雜場景中容易混淆。而本研究所探討之 3D 圖像的擴增實境顯示技術，具備多元的互動性，且利用三度空間的特性，可以輕易的呈現遠近效果與不同角度的內容，讓使用者能遊走於虛實環境之間，並可應用於更多種類的互動模式，對於數位內容創作有極大的幫助，3D 擴增實境技術可視為是一種全新型態的敘事方法。雖然 3D 擴增實境技術存在著上述眾多的優點與可能性，但目前擴增實境技術的 3D 顯示因受限於行動裝置運算能力的不足，只能顯示較為粗糙的 3D 模型，且角色的動作並無法到達標準每秒 30 格的流暢影格速率，3D 的物件也會因為系統定位的準確性不佳而產生浮動感，使 3D 物件無法穩固依附於現. 45.

(48) 實世界中，造成虛實疊合的不合理性，且如果擴增實境系統中有使用到雲端運算的技術，則必須要考慮到網路串流的穩定性與傳輸速率……等。如果希望減輕行動裝置運算效能的負擔、提升運算效率，就必須釐清 3D 模型的建構與貼圖方式對於 3D 擴增實境運算效能的影響。所以在下一章節中，本研究將針對 3D 模型的構成方式與擴增實境引擎間的搭配做深入的探討。. 2.2. 3D 立體影像 3D 立體影像是數位媒體中的一種表現方式和媒材，它以電腦技術帶來擬真、. 極具真實感的效果，加上應用其它形式藝術的概念，使其相當受歡迎且具娛樂效果（許允聖，2005）。. 立. 政治大. 3D 立體影像和 2D 平面圖形最大的不同在於，運算 3D 立體影像時，電腦內部. ‧ 國. 學. 記憶體必須儲存幾何資料的 3D 資訊，用來計算和繪製最終的 3D 影像。3D 立體影像在運算幾何 3D 模型資料時，原理就和雕塑與攝影的構成方法類似，而 2D 平面. ‧. 圖形就如同繪畫。但是，3D 立體影像的構成其實也是基於 2D 電腦圖形的演算法，. sit. y. Nat. 並將 2D 圖型的演算法更加複雜化，且加入更多的運算條件後，來構成 3D 圖型，. io. er. 見圖 2-22；有些 2D 繪圖軟體使用 3D 運算技術來達到模擬 3D 的效果，譬如 Adobe Photoshop 2D 繪圖軟體中的光源效果，就是利用 3D 的演算法來達到 2D 中模擬 3D. al. n. v i n 的效果，而有些 3D 架構為主的應用程式，也會採用 2D 的視覺技術，譬如 3D 繪 Ch engchi U 圖軟體中較常使用的貼圖功能，就是將 2D 的圖片黏貼到 3D 的模型上，使其富有 2D 的貼圖質感。2D 圖形可以看作 3D 圖形的一個子集（Wikipedia）。. 46.

(49) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學圖 2-22 3D 圖形的多面構成方式. er. io. sit. y. Nat. （資料來源：Wikipedia）. 早年 3D 模型所製成的電影、遊戲與特效，只是呈現於一般的螢幕中，視覺效. n. al. Ch. i n U. v. 果較為平淡，近年來 3D 硬體技術發展迅速，隨著 3D 螢幕的上市，可讓 3D 視覺. engchi. 的效果更為真實化，3D 螢幕可利用人眼的視差，創造視差錯視的效果，讓原本平面的電視螢幕，彷彿有物件凸出的感覺。讓 3D 圖形的三度空間資訊得以延展出螢幕外呈現，因此 3D 圖像被視為 3D 螢幕應用概念中的重要環節之一。目前 3D 圖像的可視化與可用度，雖然還在發展當中，但未來隨著顯示設備的硬體發展、電腦主機運算效能的改進，將會產生更多應用的可能。. 47.