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真實與虛擬結合互動 MR當仁不讓
為生活帶來更多想像

【作者: 王岫晨】   2020年10月07日 星期三

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擴增實境英文全名為Augmented Reality,簡稱AR。技術原理是透過攝影機拍攝現實畫面並結合某種辨識定位技術,讓螢幕中的現實場景擴增出電腦虛擬產生的物件,使用者會同時看到真實世界與虛擬同時並存的內容。


虛擬實境英文全名為Virtual Reality,簡稱VR。體驗時會搭配頭戴顯示器(HMD)完全罩住眼睛可視範圍,使用者看不到真實環境,完全沉浸在頭戴顯示器呈現的虛擬世界中,並且大多會以操作控制器來與虛擬世界中的內容進行互動。


混合實境英文全名為Mixed Reality,簡稱MR。使用上也會搭配頭戴顯示器(HMD),使用者從頭戴顯示器中會看到虛擬的物件出現在真實環境中,和AR有幾分相似。不過MR更強調AR中的「真實環境」元素和VR中的「沉浸感」和「虛擬互動」元素所結合呈現出真實、虛擬世界混合分不清的感受。也就是MR比起AR更強調VR特有的沈浸感,和在真實世界與虛擬物件的互動。


MR的技術發展


圖一 : 混合實境是實體環境與數位世界混合的結果。(source: microsoft.com)
圖一 : 混合實境是實體環境與數位世界混合的結果。(source: microsoft.com)

混合實境是實體環境與數位世界混合的結果。混合的實境是人類、電腦和環境互動的全新演進,並且解放了以前僅限於想像的可能性。 這是藉由提升電腦視覺、圖形處理能力、顯示器技術和輸入系統所達成。「混合實境」一詞最初是由Paul Milgram和Fumio Kishino在1994年的論文《混合實境視覺顯示器分類法 (A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays)》中所提出。他們的論文提出了Virtuality Continuum的概念,並著重於分類法分類套用至顯示器的方式。從那時起,混合實境便不只應用於顯示器,還包含了環境輸入、空間音效和位置等。


環境輸入和認知


圖二 : 電腦、人類與環境之間的互動。(source: microsoft.com)
圖二 : 電腦、人類與環境之間的互動。(source: microsoft.com)

過去數十年來,探索人類與電腦輸入之間的關聯性,有一個廣為研究的專業領域,稱為「人機互動」或HCI。人類的輸入方式會透過各種不同的方式進行,包括鍵盤、滑鼠、觸控、筆跡、語音,甚至是Kinect的框架追蹤。隨著感應器和處理方面的提升,逐漸使環境中的電腦輸入形成新的區域。電腦與環境之間的互動是有效的環境理解或「感知」。 環境輸入會擷取諸多事物,像是使用者所處的位置、表面和邊界、環境光源、環境音效、物件辨識和位置等。


而現在,電腦處理、人類輸入和環境輸入這三個的組合,樹立起建立真正混合實境體驗的機會。實體世界中的移動可以轉譯成數位世界中的移動,而實體世界的界限也可能會影響數位世界中的應用程式體驗,例如遊戲進行。 如果沒有環境輸入,體驗就無法混合實體與數位實境。


擴增與虛擬實境


圖三 : MR實體世界的實體界限會以數位方式出現在體驗中。
圖三 : MR實體世界的實體界限會以數位方式出現在體驗中。

現今市場上大部分的智慧手機幾乎都沒有環境理解功能。因此,他們所提供的體驗無法混合實體和數位實境。在實體世界的影片串流上重疊圖形的體驗即為「擴增實境」。遮蔽視覺檢視來呈現數位體驗的體驗即為「虛擬實境」。而在這兩個極端之間的體驗,即為「混合實境」,其解釋如下:


‧ 從實體世界開始,放置數位物件,如同真實存在一般。


‧ 從實體世界開始,另一個人的數位表示法,顯示他們在留言時所處的位置。換句話說,即為不同時間點表示非同步共同作業的體驗。


‧ 從數位世界開始,實體世界的實體界限會以數位方式出現在體驗中,以協助使用者避開實體物件。


MR裝置和體驗

有兩種主要的裝置類型可提供Mixed Reality體驗:


1. 全像攝影裝置。這些特性是由裝置將數位內容放在真實世界中的功能來表示,如同真實存在一般。


2. 沉浸式裝置。 這些特性是由裝置建立「目前狀態」的功能來表示,隱藏實體世界,並以數位體驗取代。



圖四 : 兩種主要可提供Mixed Reality體驗的裝置(source: microsoft.com)
圖四 : 兩種主要可提供Mixed Reality體驗的裝置(source: microsoft.com)

MR發展挑戰

宇萌數位科技在發展MR的過程當中,累積了不少相關的開發經驗。他們認為,擴增實境AR技術發展至今,最關鍵的難題始終離不開如何將虛擬的物件「持續穩定地定位在真實環境中」,因為只有持續而穩定地定位,虛擬與真實結合的體驗才會更強烈。目前定位技術較為成熟的包括影像辨識,或者如臉部辨識、SLAM(Simultaneous localization and mapping)、室內定位等定位演算法,都仍在不斷地進步中。


至於虛擬實境VR,最大的難題在於「頭戴顯示器的重量和舒適度」,畢竟使用者並不願意帶著笨重的頭盔來體驗虛擬世界。只有減輕重量,提供更舒適的配戴,才能延長使用時間,給使用者更舒適的虛擬體驗空間。


而混合實境MR的發展的難題則與AR、VR非常類似,就如同它混合了AR、VR的特色一樣,同時包含了AR「持續穩定地定位在真實環境中」、和VR的「頭戴顯示器的重量和舒適度」等這兩個問題,都亟需要被解決。


MR應用現況

目前在應用方面,AR以商業使用居多,其它還有用在遊戲、導覽等。而虛擬實境VR則多應用在遊戲、模擬訓練上,只要戴上頭戴顯示器進入虛擬的世界,就可以避開真實操作訓練時的危險,或是避免付出昂貴的設備代價。一旦在VR世界中熟練之後,再到現實進行真實的訓練。至於混合實境MR的發展,宇萌數位科技認為,目前因硬體成本較高,開發和應用上需要一定的費用投入,且技術上需要克服的問題較多也更為複雜,使得目前市場上的應用少,僅少部分的遊戲和專業領域有使用。不過,隨著微軟、Magic Leap等國際大廠都相繼提出非常多的未來概念,相信在不久的未來就會更廣泛應用於市場上。


結語

從AR、VR、到混合實境MR,其最重要的挑戰莫過於「應用場景」。過去在智慧手機不發達的年代,一般人從未想像過訊息傳遞、購物、學習、查詢交通時間、訂票,或者觀看新聞等這些生活中的大小事,都可以快速的透過智慧手機來完成。而包括AR、VR、MR等這些實境科技也是一樣的道理,隨著虛擬技術日漸成熟,未來勢必也將會為我們的生活帶來更多的想像。


**刊頭圖(source:microsoft.com)


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