次世代擴增實境技術趨勢

MR資訊館 2016-11-29

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一、前言

採用擴增實境(Augmented reality)技術的應用程式已廣泛運用在手機或平板等移動式裝置上，只要透過裝罝上的顯示螢幕與攝影機，將虛擬的三維物件與真實環境同步顯示(Bimber & Ramesh, 2005)；擴增實境將現實世界加入了虛擬物件或內容的元素，與使用者產生互動的使用情境，廣泛的應用在醫療、軍事、製造、娛樂、機器人、教育、行銷、導航及路徑規劃、旅遊、都市計畫等領域(Mallem, 2010)。

在科幻小說、星際電影中將千里之外的影像內容同步傳送到使用者眼前的場景，描述虛擬與現實混合的生活情節等穿透式視覺系統，利用專利說明書中對技術描述特性，從專利的內容中可一窺擴增實境技術創新者的想法與技術所展示的未來生活願景(Bolluyt, 2015)。從專利審查技術需符合新穎性、進步性與產業的利用性等的三個要件，因此，專利不僅僅是研發能力的展現，更多是技術的想法與用途的說明，更隱含了技術創新與應用的情報，所以，專利的熱烈發展將可預期會啟動一連串的產業上的應用。

本文探討擴增實境技術的內容能發現許多先進技術的想法與實踐，隨著擴增實境技術的發展，歸納整理了次世代擴增實境的技術趨勢，同步即時呈現的穿透式視覺系統，即將真實搬到生活之中，未來的生活方式與習慣也可能因為擴增實境的技術應用而改變。

二、擴增實境定義

1994年Milgram等人提出現實和虛擬的連續性顯示系統類型「混合實境量表(Mixed Reality Scale)」中，定義了現實-虛擬的連續系統（Reality–virtuality continuum），見圖1，將真實環境(實境)和虛擬環境(虛境)分別作為連續的兩端，靠近真實環境的是擴增實境（Augmented Reality；AR），靠近虛擬環境的則是擴增虛境（Augmented Virtuality；AV），「混合實境（Mixed Reality；MR）」則是結合了擴增實境和擴增虛境（Milgram, Takemura, Utsumi, Kishino, 1994)。混合實境是擴增實境與擴增虛境的泛稱。

圖1 Simplified representation of a RV Continuum

圖片來源: Augmented Reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum(1994)

還有另一種易產生混淆的，就是擴增實境 (Augmented reality) 與虛擬實境 (Virtual Reality)，兩者由於技術名稱上類似，但最主要的差別在於顯示系統的差異，虛擬實境為封閉式顯示系統，所有的顯示物件、影像、內容等都在虛擬的，與人的互動也在虛擬的環境(虛境)之中；而擴增實境則為穿透式顯示系統，虛擬與現實並存(實境)，虛擬的物件、影像、內容與現實世界中的物體有相互依存關係，虛擬與現實可同步互動(Mehdi & Andre, 2016)。

三、擴增實境技術趨勢

(一) 技術類型

擴增實境的顯示類型分為影像合成技術的穿透式(Video See-through)和光學原理的穿透式(Optical See-through)二種顯示技術。

影像穿透式顯示技術利用攝影機鏡頭呈現「影像疊加」的方式，將數位資訊或圖像疊加在真實世界的實像或實物上，透過手機和平板上相關的應用程式，在現實的狀態下可以看見增加的影像及資訊，是將虛擬的影像與現實的物體結合的顯示技術(Rolland & Fuchs,2000 ; Freddie, 2016)。

光學穿透式顯示技術是人的眼晴直接透過鏡片看到三維的空間中虛擬的圖像，並透過準確追蹤和精準定位技術在空間中抓取或觸摸虛擬的圖形產生反饋，與真實的世界同步和互動(Bimber & Ramesh, 2005)。

擴增實境技術以虛擬與現實結合、即時互動及虛擬三維物件等三項原則，並以追蹤、定位及顯示等三項技術建構擴增實境系統。

(二) 專利趨勢分析

專利分類的特性是將相同技術主題的專利歸入相同的分類位置，是為同分類下的專利有相同的技術特徵(許耀華，2004)；本文將從擴增實境的技術主題與合作專利分類(Cooperative Patent Classification；CPC)的位置所涵蓋的範圍來分析擴增實境的技術趨勢新方向。

從2010年至2016年的美國專利的CPC分類的以電腦運算(G06)與光學(G02)兩項技術為主，其技術項下以三維建模(G06T19/00)、數據傳輸介面(G06F17/00)及光學系統(G02B27/00)等三項技術群為專利數量前三名，占全部的47%，為技術較為集中的區域，見圖2。

1.三維建模技術

三維建模主要的技術非常集中在將三維的虛擬模型數據與二維或三維真實世界的圖像數據放在一起顯示，並生成三維的混合實境技術(G06T19/006)，當然亦包含了擴增實境與擴增虛境方法或步驟的技術。

2.數據傳送介面

數據傳送介面的技術範圍較廣，以身體互動(G06F17/011)，包含頭部追蹤、眼睛追蹤等技術；手勢互動(G06F17/017)手勢識別及追蹤、圖形用戶介面(G06F3/048)、3D環境介面等技術專利較多。

3.光學系統

光學系統(G02B27/00)的技術當中，以光學式頭戴顯示器(G02B27/017)為擴增實境顯示器的主流，其他則包含零散的技術。

圖2 擴增實境專利主要技術

圖片來源:本研究整理

(三) 技術趨勢分析

從上一節專利趨勢分析當中，專利集中度較高的兩個技術為三維建模與光學系統，其中三維建模中的混合實境技術與光學系統的頭戴式顯示器、室內光場顯示投影等三項技術將為次世代擴增實境的技術趨勢，分別詳述項下技術趨勢的重點。

1.混合實境技術(G06T19/006)

混合實境技術中，虛擬內容必須要能快速且即時在擴增實境的裝置上顯現，要能提供三維物體或虛擬環境的數據資訊及快速的運算速度等，透過顯示系統，將影像內容同步傳送到使用者，因此，快速發展的混合實境技術，需要多樣化的虛擬內容，編輯三維圖像及三維的實時繪製（Real-time rendering）都是虛擬內容技術趨勢，將會提升虛擬的內容的速度和品質，套用在現實世界，並與使用者產生互動，從原本的電玩遊戲、旅遊導航、運動賽事等應用領域，已逐漸擴展至教育、醫療引導等不同領域，將會給人類的生活方式及習慣很可能都會出現變化。

2.光學式頭戴顯示器(G02B27/017)

從光學式頭戴顯示器專利數量大量增加顯示，擴增實境不再透過移動式裝置來呈現圖像，而是採用光學穿透式即時顯示系統，縮短眼睛和顯示器之間的距離，使用頭戴顯示器直接進入人的視網膜，影像直接顯示在眼鏡的螢幕上，立即在視覺感受上呈現景深的效果，讓使用者有身歷其境的感受，穿透式顯示不僅能與三維的虛擬物件互動，同時還能與現實世界互動。

從專利內容觀測擴增實境的頭戴顯示器與一般眼鏡無異，取代厚重的頭戴顯示器，並有連結聲音系統的耳機及掛置身上的系統處理器。輕便型的擴增實境眼鏡，將會是人機交互界面裝置中發展的重大變革，透過擴增實境眼鏡提供現實中無法直接獲取的資訊，讓使用者眼中的世界更具有多樣性。

3.室內光場顯示投影(G02B27/0174)

除了輕便型的擴增實境眼鏡外，在光學系統技術當中，室內光場顯示技術(light field display)是一種三維的全息投影技術(Hologram)，在室內無需透過鏡片來顯像，使用者不需配戴眼鏡，裸眼即能看見的三維立體圖像的顯示技術。

室內光場顯示投影關鍵技術為數位光處理系統，包含空間光調製器(Spatial Light Modulator)和變焦元件( Variable Focus Element (VFE)等元件，投射出的光可變焦並能整合影像來源等數據資料，具有即時在空間上調製光束的功能，對光波的空間分佈進行調製，為即時光學數據資料處理，光計算等系統的關鍵技術。