擴增實境 (Augmented Reality, AR) 虛擬與實境的無限延伸

V R 虛擬實境

虛擬實境 (Virtual Reality) 就是將現有的聲音、影像、繪圖、文 字、等技術加以整合與改良，讓使用者能夠有「身歷其境 (Immersed) 」的感覺。提供一個對照真實場景的 VE(Virtual Environment) ，讓使用者能夠在家就能體驗到親自到現場的經驗。 虛擬實境系統最大的特色是在於其互動性及其即時的反應， 當應用在設計上，可讓設計者或客戶隨心所欲地自行操作電腦， 從任何角度位置，全方位地觀看設計成品，甚至即時修改，應用 在其他方面的結果更是令人嘆為觀止。 虛擬實境要能達到這樣的境界，具有三個要素（ 3 〝 I 〞）： 融入（ Immersion ）、互動（ Interaction ）及想像（ Imagination ）， 缺一不可。

近年來，利用虛擬實境技術，操作者僅需要在一個特殊的空間內， 即能感受到真實情況下的音訊、影像、運動等情景，並與此虛擬場景 有互動式的反應，讓使用者完全融入於此一模擬真實情況的環境中。 虛擬實境的技術也被廣泛運用在不同領域，眾所周知的飛行模擬 器（ Flight Simulator ）可算是現階段虛擬實境技術最完整的發揮，且已 廣泛應用於飛行訓練中，然而其成本卻相當昂貴。市面上號稱虛擬實 境電玩機台和軟體也逐漸增多，此為虛擬實境技術商業上最廣泛的應 用。除此外，虛擬實境技術在各種專業領域的應用及發展也逐漸增加， 一方面是由於虛擬實境軟體功能的增強，更重要的是以個人電腦（ PC ） 為主的虛擬實境系統在價格上較低，更能獲得各行各業所認同。 以下是 VR 應用的一些領域： 1. 娛樂 2. 教育 3. 訓練 4. 醫學 5. 設計 6. 商業 7. 簡報 8. 軍事 9. 太 空 10. 藝術 11. 監控 12. 科學視覺化 13. 聽覺評估 14. 刑事調查 15. 網路應用

虛擬世界即是由電腦所構建出來的模擬真實世界，依據不同的視覺產生 方式（ Visualization ）及使用設備的不同，可區分為以下幾大類： 1. 桌上型虛擬實境（ Desktop VR ） 為最經濟的虛擬實境系統，通常使用滑鼠、 軌跡球、搖桿等設備做為輸入設備，並以一般個人電腦螢幕為輸出。從虛擬 實境 3I 的觀點來看，並無法達到融入的效果。 2. 模擬型虛擬實境（ Simulator VR ） 讓使用者在一特定的的操作環境中使用，以 模擬操控真實機器的感受。一般應用在駕駛、飛行等訓練上，為最早發展出 來的虛擬實境系統。 3. 投射型虛擬實境（ Projection VR ） 使用大型投射螢幕配合數個投影機及立體 聲音輸出裝置，將整個場景在使用者的周圍投影出來，形成一個環場的場景。 4. 融入型虛擬實境（ Immersion VR ） 為所有虛擬實境系統中最昂貴、感覺最真 實者。系統中需配有特定的輸出、入設備如頭盔顯示器（ Head Mounted Display ， HMD ）、 3D 滑鼠（ Fly Mouse ）、追蹤器（ Tracker ）或資料手套 （ Data Glove ）、立體聲音裝置、感官輸出裝置等，讓使用者可以有完全融 入的感覺。

虛擬實境依據系統的建構方式分為下列三大類： 1. 物件式（ Geometry-based VR 或稱 Graphic-based VR ） 利用 3D Model 建構軟體（如 AutoCAD 、 3D Studio 、 WaveFront 、 TrueSpace 、 Pro/E ）建構我們所需的虛擬場景。利用虛擬軟體的編輯等功能，給予不同的 物件不同的特性，甚至結合特定的裝置達到不同層次的互動效果。 ( 如 : CSCV) 2. 影像式（ Image-based VR ） 為解決利用物件方式建構的虛擬實境系統會有顯像速度的問題。這個技術 分為兩大部份，一個為虛擬環境的遊走，另一則是從各種角度觀看特定物件。 ( 如 : IvI) 3. 混合式（ Hybrid VR ） 如同影像式虛擬實境一樣，先對一 360 度的場景拍攝多張的影像，透過影 像處理的技巧將其縫合成「全景照片」。縫合之後，便可依我們的意思，在場 景中加入原本不屬於原場景中的物件，更可透過簡單的程式設計（如 Java 、 JavaScript 、 VRMLScript 等），來設定物件的特性給予行為命令。

虛擬實境依據硬體可分為視覺、聽覺、觸覺及其他感覺。 1. 視覺的虛擬實境 頭戴式顯示器簡單說就是有立體顯示器，空間定位器及耳機的頭盔，依其原理有可 分三類： 1. 陰極射線管（ CRT ）式：利用小型 CRT 由後方經鏡片及半反射鏡片照在視玻璃上。一 般軍用飛行頭盔多是這一種。解析度高（現已可達 1280 Ｘ 1024 ，也有彩色的），價格也 較高（ 美元以上）。 2. 光纖耦合（ Fiber Coupled ）式：光纖耦合也是 CRT ，不過是經由光纖傳導，需要很多 條光纖，價格高。 3. 液晶（ LCD ）式：目前最廣泛的型式，用兩片 LCD 板，對應兩隻眼睛達到立體視覺。 價格最低（有 1000 美元以下者），但解析度低（現在最高的約 768 Ｘ 556 ）。 2. 聽覺的虛擬實境 3. 觸覺的虛擬實境及操作裝置 4. 其他感覺

雖然頭戴式顯示器可以有更好的沉浸感（ Immersion ），不過它的成本還是 很高，如果是多人同看相同的畫面，那麼立體眼鏡是種較價廉的選擇。 立體眼鏡就像以前的立體電影的方法，有的利用光柵（極化），將兩眼的鏡 片交互開閉：有些利用不同顏色的鏡片，一段時間只發出能通過一眼的鏡片之光 線；還有用特殊顯示器，奇偶的掃瞄線極化方向不同來達到立體的視覺。但基本 上都是利用視覺暫留及兩眼影像交錯原理。 另外，還有一種類似虛擬工作站 workbench 的作法，利用三槍投影機，將立 體影像投射到毛玻璃的桌面上，利用立體眼鏡看，就像真的擺東西到桌面一樣。 1. Immversa Desk ( 一面斜置投影牆 ) 2. CAVE ( 四面正交投影牆 )

1. Immversa Desk ( 一面斜置投影牆 )

A R 擴增實境

擴增實境︰虛擬與實境的無限延伸 AR 指的是會把虛擬資訊加到使用者感官知覺上的電腦顯示器。 大多數 AR 研究都集中在「透視」裝置，通常戴在使用者的頭部，把 圖像和文字加到使用者觀察周遭環境所產生的畫面上（虛擬資訊也 可以是其他的感官形式，例如聽覺或觸覺，但本文的討論重點是視 覺的強化）。 AR 系統會追蹤使用者頭部的位置與方向，好讓疊上去的東西能 對準使用者看到的世界。透過這種稱為「登錄」的程序，繪圖軟體 可以加上一些東西，例如把一個三維的茶杯影像放在一個真實的碟 子上，而且隨著使用者在房間裡走動，還要讓這個虛擬茶杯固定在 那個位置。 AR 系統採用某些和虛擬實境（ virtual reality, VR ）一樣的硬體 技術，但其中有一項根本的差異： VR 企圖取代真實的世界，而 AR 卻是在實境上擴增資訊。

根據定義， AR 系統中的透視顯示器必須能呈現虛擬與真實資訊的 結合。雖然這類顯示器可能是手持式或固定式，但最常見的還是 戴在頭上。把顯示器放在眼睛前面，原本很小的螢幕可以製造出 大影像的效果，這種顯示器通常稱為「頭戴式顯示器」（ head- mounted display, HMD ）。 這種裝置可分為兩大類：光學式透視 以及 視訊式透視。

光學式透視顯示器 光學式系統會把電腦圖像疊在使用者看出去的世界上。在這個設計中，稜鏡會把液晶 顯示器上的圖像反射進入使用者的視線中，但周遭世界的光線依然可以通過。感應器可以 掌握使用者頭部位置與方向的資訊，以確保圖像出現在正確的地方。但是在現有的光學式 系統中，圖像無法完全遮住後面的物件。

視訊式透視顯示器 視訊系統把電腦圖像與攝影機影像混合起來，以模擬使用者在正常情況下看到的世界。 在這個設計中，稜鏡會捕捉來自周圍世界的光，並且聚焦在一個電荷耦合器件上，這個器 件會把光轉換成數位式視訊訊號。系統會把視訊影像和電腦圖像結合起來，並且把合併後 的影像呈現在液晶顯示器上。視訊系統不會有半透明影像的問題，但是解析度和視角仍然 比不上人類的眼睛。

視訊式透視顯示器 光學式透視顯示器

這兩種透視顯示器的設計各有優缺點： 光學式透視系統 1. 可以看見絕對清晰的全視域真實世界； 2. 覆蓋圖像仍然是透明的，因此不能完全遮住後面的實物，於是在某些背景之下， 疊在上面的文字看起來會很吃力，而且這種三維圖像可能無法製造出足以亂真的 幻覺。 3. 使用者看實體物件時，眼睛視物件的距離而聚焦其上，但看虛擬物件時則完全聚 焦在顯示器平面上。使用者可能無法同時聚焦在這兩個物件上。 視訊式透視系統 1. 虛擬物件可以完全遮住實體物件，而且可以用各式各樣的繪圖效果來和實體物件 結合。 2. 眼睛對虛擬和實體物件的聚焦方式也沒有差異，因為使用者觀看時，兩者在同一 平面上。 3. 現有視訊技術仍有其限制，它所呈現的真實世界的視覺品質還相當差，甚至會降 到合成圖像的水準，目前，攝影機和顯示器的品質仍然比不上人類的眼睛。

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