國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士論文

指導教授王曉璿 博士

線上多人擴增實境系統架構設計探究

The Study of Architecture Design And Research about Multiuser

Augmented Reality System

研究生 邱智偉 撰

中華民國九十九年六月

I

致謝

時光匆匆歲月如梭研究所生涯告一段落回首三年當中收穫著

實豐富不但開拓人生視野也習得如何看待與研究問題之方式衷心感

謝指導教授王曉璿老師不辭辛勞的諄諄教誨讓我能夠以正確之求學態度

在研究道路上前進感謝朱延平老師以及游自達老師給予我的研究以及

論文許多指導感謝傑綸學長之技術諮詢使得系統開發得以順利進行

多虧為光學弟義無反顧的協助大小瑣事研究過程因此順利不少多謝乙

白在這條異於社會時鐘的路上領我前行謝謝爸爸媽媽以包容和支持

陪伴我度過難關謝謝姊姊和弟弟不時的噓寒問暖感謝天主讓我有勇

氣面對我人生樣貌的轉變

邱智偉

國立臺中教育大學

數位內容科技學系研究室

中華民國九十九年六月

II

摘要 擴增實境（Augmented RealityAR）為虛擬實境之延伸擴增實境把

原本只在虛擬實境中所出現的虛擬物件建構在真實空間中產生能與使

用者互動的即時環境本研究主要之目的在探討線上多人擴增實境系統

的運作機制並以此為根據進而針對網際網路架構下發展擴增實境系統

之架構設計並且研究線上多人擴增實境系統之效益經過文獻探討與研

究設計之後本研究開發出一個線上多人擴增實境系統當中包含可供使

用者進行直覺化操作並且利用伺服器技術管理的光學辨識標記以及顯示

物件的開放性編輯環境以及單人使用可線上動態連結物件之網路化擴

增實境系統更有一利用點對點傳輸技術可供多人同步使用之網路動態

連結擴增實境系統本研究利用系統評估之方式整理出結論為利用伺

服器網路架構輔以點對點傳輸技術建置而成並且擁有高彈性的物件編輯

功能之線上多人擴增實境系統應能充份發揮「網路化」「開放化」

「多人化」之特性

【關鍵詞】擴增實境系統設計多人互動

III

Abstract Augmented reality (AR) is an extension of virtual realityAR is a real-time

environment that users can interact with virtual objects in real surroundings

The main purpose of this research is to discuss the mechanism of online

multi-user AR system for developing an internet-based AR system architecture

and find out the benefit of online multi-user AR system After literature review

and research design this research develop an online multi-user augmented

reality system which includes an open editing environment that provides an

intuitive interface to maintain markers and models with serverclient technique

a dynamic object-linked network AR system for single user and a multi-user

AR system which uses peer-to-peer technique According to the system

assessment the conclusion of this research is using clientserver and p2p

transmission techniques to build a online multi-user AR system has advantage

such as networking opening and multi-user

【keyword】Augment Reality System Design Multi-user Interaction

IV

目次 第一章 緒論 1

11 研究背景與動機 1

12 研究目的 2

13 研究問題 3

14 研究架構 3

第二章 文獻探討 5

21 擴增實境 5

211 擴增實境的定義與發展 5

212 擴增實境的運作方式 7

213 擴增實境的運用 12

214 使用擴增實境於教育的相關研究 16

215 多人擴增實境 19

22 網路多人連線 21

23 其他相關技術 23

231 Flash 23

232 Adobe Stratus 24

233 Joomla 25

24 總結 25

第三章 研究方法 27

31 研究架構 27

32 系統目標 28

33 系統分析與設計 30

331 多人整合系統運作模式 30

332 擴增實境系統 33

333 多人擴增實境展示系統 39

V

34 總結 43

第四章 系統驗證和分析 45

41 系統功能與架構設計探討 45

411 系統功能 45

412 系統運作架構 47

42 開發時遇到的困難 58

43 運作模式探究 61

44 系統展示 62

441 線上物件系統使用方式 64

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統 67

443 多人同步擴增實境系統 68

45 系統評估 71

451 評估環境 71

452 測試過程 71

453 評估結果 72

第五章 結論與建議 75

51 結論 75

52 系統修正建議 76

53 後續研究建議 76

參考資料 79

一中文文獻 79

二英文文獻 81

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

I

致謝

時光匆匆歲月如梭研究所生涯告一段落回首三年當中收穫著

實豐富不但開拓人生視野也習得如何看待與研究問題之方式衷心感

謝指導教授王曉璿老師不辭辛勞的諄諄教誨讓我能夠以正確之求學態度

在研究道路上前進感謝朱延平老師以及游自達老師給予我的研究以及

論文許多指導感謝傑綸學長之技術諮詢使得系統開發得以順利進行

多虧為光學弟義無反顧的協助大小瑣事研究過程因此順利不少多謝乙

白在這條異於社會時鐘的路上領我前行謝謝爸爸媽媽以包容和支持

陪伴我度過難關謝謝姊姊和弟弟不時的噓寒問暖感謝天主讓我有勇

氣面對我人生樣貌的轉變

邱智偉

國立臺中教育大學

數位內容科技學系研究室

中華民國九十九年六月

II

摘要 擴增實境（Augmented RealityAR）為虛擬實境之延伸擴增實境把

原本只在虛擬實境中所出現的虛擬物件建構在真實空間中產生能與使

用者互動的即時環境本研究主要之目的在探討線上多人擴增實境系統

的運作機制並以此為根據進而針對網際網路架構下發展擴增實境系統

之架構設計並且研究線上多人擴增實境系統之效益經過文獻探討與研

究設計之後本研究開發出一個線上多人擴增實境系統當中包含可供使

用者進行直覺化操作並且利用伺服器技術管理的光學辨識標記以及顯示

物件的開放性編輯環境以及單人使用可線上動態連結物件之網路化擴

增實境系統更有一利用點對點傳輸技術可供多人同步使用之網路動態

連結擴增實境系統本研究利用系統評估之方式整理出結論為利用伺

服器網路架構輔以點對點傳輸技術建置而成並且擁有高彈性的物件編輯

功能之線上多人擴增實境系統應能充份發揮「網路化」「開放化」

「多人化」之特性

【關鍵詞】擴增實境系統設計多人互動

III

Abstract Augmented reality (AR) is an extension of virtual realityAR is a real-time

environment that users can interact with virtual objects in real surroundings

The main purpose of this research is to discuss the mechanism of online

multi-user AR system for developing an internet-based AR system architecture

and find out the benefit of online multi-user AR system After literature review

and research design this research develop an online multi-user augmented

reality system which includes an open editing environment that provides an

intuitive interface to maintain markers and models with serverclient technique

a dynamic object-linked network AR system for single user and a multi-user

AR system which uses peer-to-peer technique According to the system

assessment the conclusion of this research is using clientserver and p2p

transmission techniques to build a online multi-user AR system has advantage

such as networking opening and multi-user

【keyword】Augment Reality System Design Multi-user Interaction

IV

目次 第一章 緒論 1

11 研究背景與動機 1

12 研究目的 2

13 研究問題 3

14 研究架構 3

第二章 文獻探討 5

21 擴增實境 5

211 擴增實境的定義與發展 5

212 擴增實境的運作方式 7

213 擴增實境的運用 12

214 使用擴增實境於教育的相關研究 16

215 多人擴增實境 19

22 網路多人連線 21

23 其他相關技術 23

231 Flash 23

232 Adobe Stratus 24

233 Joomla 25

24 總結 25

第三章 研究方法 27

31 研究架構 27

32 系統目標 28

33 系統分析與設計 30

331 多人整合系統運作模式 30

332 擴增實境系統 33

333 多人擴增實境展示系統 39

V

34 總結 43

第四章 系統驗證和分析 45

41 系統功能與架構設計探討 45

411 系統功能 45

412 系統運作架構 47

42 開發時遇到的困難 58

43 運作模式探究 61

44 系統展示 62

441 線上物件系統使用方式 64

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統 67

443 多人同步擴增實境系統 68

45 系統評估 71

451 評估環境 71

452 測試過程 71

453 評估結果 72

第五章 結論與建議 75

51 結論 75

52 系統修正建議 76

53 後續研究建議 76

參考資料 79

一中文文獻 79

二英文文獻 81

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

II

摘要 擴增實境（Augmented RealityAR）為虛擬實境之延伸擴增實境把

原本只在虛擬實境中所出現的虛擬物件建構在真實空間中產生能與使

用者互動的即時環境本研究主要之目的在探討線上多人擴增實境系統

的運作機制並以此為根據進而針對網際網路架構下發展擴增實境系統

之架構設計並且研究線上多人擴增實境系統之效益經過文獻探討與研

究設計之後本研究開發出一個線上多人擴增實境系統當中包含可供使

用者進行直覺化操作並且利用伺服器技術管理的光學辨識標記以及顯示

物件的開放性編輯環境以及單人使用可線上動態連結物件之網路化擴

增實境系統更有一利用點對點傳輸技術可供多人同步使用之網路動態

連結擴增實境系統本研究利用系統評估之方式整理出結論為利用伺

服器網路架構輔以點對點傳輸技術建置而成並且擁有高彈性的物件編輯

功能之線上多人擴增實境系統應能充份發揮「網路化」「開放化」

「多人化」之特性

【關鍵詞】擴增實境系統設計多人互動

III

Abstract Augmented reality (AR) is an extension of virtual realityAR is a real-time

environment that users can interact with virtual objects in real surroundings

The main purpose of this research is to discuss the mechanism of online

multi-user AR system for developing an internet-based AR system architecture

and find out the benefit of online multi-user AR system After literature review

and research design this research develop an online multi-user augmented

reality system which includes an open editing environment that provides an

intuitive interface to maintain markers and models with serverclient technique

a dynamic object-linked network AR system for single user and a multi-user

AR system which uses peer-to-peer technique According to the system

assessment the conclusion of this research is using clientserver and p2p

transmission techniques to build a online multi-user AR system has advantage

such as networking opening and multi-user

【keyword】Augment Reality System Design Multi-user Interaction

IV

目次 第一章 緒論 1

11 研究背景與動機 1

12 研究目的 2

13 研究問題 3

14 研究架構 3

第二章 文獻探討 5

21 擴增實境 5

211 擴增實境的定義與發展 5

212 擴增實境的運作方式 7

213 擴增實境的運用 12

214 使用擴增實境於教育的相關研究 16

215 多人擴增實境 19

22 網路多人連線 21

23 其他相關技術 23

231 Flash 23

232 Adobe Stratus 24

233 Joomla 25

24 總結 25

第三章 研究方法 27

31 研究架構 27

32 系統目標 28

33 系統分析與設計 30

331 多人整合系統運作模式 30

332 擴增實境系統 33

333 多人擴增實境展示系統 39

V

34 總結 43

第四章 系統驗證和分析 45

41 系統功能與架構設計探討 45

411 系統功能 45

412 系統運作架構 47

42 開發時遇到的困難 58

43 運作模式探究 61

44 系統展示 62

441 線上物件系統使用方式 64

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統 67

443 多人同步擴增實境系統 68

45 系統評估 71

451 評估環境 71

452 測試過程 71

453 評估結果 72

第五章 結論與建議 75

51 結論 75

52 系統修正建議 76

53 後續研究建議 76

參考資料 79

一中文文獻 79

二英文文獻 81

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

III

Abstract Augmented reality (AR) is an extension of virtual realityAR is a real-time

environment that users can interact with virtual objects in real surroundings

The main purpose of this research is to discuss the mechanism of online

multi-user AR system for developing an internet-based AR system architecture

and find out the benefit of online multi-user AR system After literature review

and research design this research develop an online multi-user augmented

reality system which includes an open editing environment that provides an

intuitive interface to maintain markers and models with serverclient technique

a dynamic object-linked network AR system for single user and a multi-user

AR system which uses peer-to-peer technique According to the system

assessment the conclusion of this research is using clientserver and p2p

transmission techniques to build a online multi-user AR system has advantage

such as networking opening and multi-user

【keyword】Augment Reality System Design Multi-user Interaction

IV

目次 第一章 緒論 1

11 研究背景與動機 1

12 研究目的 2

13 研究問題 3

14 研究架構 3

第二章 文獻探討 5

21 擴增實境 5

211 擴增實境的定義與發展 5

212 擴增實境的運作方式 7

213 擴增實境的運用 12

214 使用擴增實境於教育的相關研究 16

215 多人擴增實境 19

22 網路多人連線 21

23 其他相關技術 23

231 Flash 23

232 Adobe Stratus 24

233 Joomla 25

24 總結 25

第三章 研究方法 27

31 研究架構 27

32 系統目標 28

33 系統分析與設計 30

331 多人整合系統運作模式 30

332 擴增實境系統 33

333 多人擴增實境展示系統 39

V

34 總結 43

第四章 系統驗證和分析 45

41 系統功能與架構設計探討 45

411 系統功能 45

412 系統運作架構 47

42 開發時遇到的困難 58

43 運作模式探究 61

44 系統展示 62

441 線上物件系統使用方式 64

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統 67

443 多人同步擴增實境系統 68

45 系統評估 71

451 評估環境 71

452 測試過程 71

453 評估結果 72

第五章 結論與建議 75

51 結論 75

52 系統修正建議 76

53 後續研究建議 76

參考資料 79

一中文文獻 79

二英文文獻 81

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

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王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

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• 封面01
• 論文_修

IV

目次 第一章 緒論 1

11 研究背景與動機 1

12 研究目的 2

13 研究問題 3

14 研究架構 3

第二章 文獻探討 5

21 擴增實境 5

211 擴增實境的定義與發展 5

212 擴增實境的運作方式 7

213 擴增實境的運用 12

214 使用擴增實境於教育的相關研究 16

215 多人擴增實境 19

22 網路多人連線 21

23 其他相關技術 23

231 Flash 23

232 Adobe Stratus 24

233 Joomla 25

24 總結 25

第三章 研究方法 27

31 研究架構 27

32 系統目標 28

33 系統分析與設計 30

331 多人整合系統運作模式 30

332 擴增實境系統 33

333 多人擴增實境展示系統 39

V

34 總結 43

第四章 系統驗證和分析 45

41 系統功能與架構設計探討 45

411 系統功能 45

412 系統運作架構 47

42 開發時遇到的困難 58

43 運作模式探究 61

44 系統展示 62

441 線上物件系統使用方式 64

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統 67

443 多人同步擴增實境系統 68

45 系統評估 71

451 評估環境 71

452 測試過程 71

453 評估結果 72

第五章 結論與建議 75

51 結論 75

52 系統修正建議 76

53 後續研究建議 76

參考資料 79

一中文文獻 79

二英文文獻 81

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

V

34 總結 43

第四章 系統驗證和分析 45

41 系統功能與架構設計探討 45

411 系統功能 45

412 系統運作架構 47

42 開發時遇到的困難 58

43 運作模式探究 61

44 系統展示 62

441 線上物件系統使用方式 64

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統 67

443 多人同步擴增實境系統 68

45 系統評估 71

451 評估環境 71

452 測試過程 71

453 評估結果 72

第五章 結論與建議 75

51 結論 75

52 系統修正建議 76

53 後續研究建議 76

參考資料 79

一中文文獻 79

二英文文獻 81

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

VI

表目次 表 21-1 現今擴增實境技術比較 12

表 33-1 模組功能說明 40

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較 62

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

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技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

VII

圖目次 圖 21-1 真實－虛擬連續性 7

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式 8

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 8

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程 10

圖 21-5 立體影像辨識式 AR 10

圖 21-6 怪物奇兵 13

圖 21-7 有 AR 功能的手機 14

圖 21-8 遊戲隱形寶貝 15

圖 21-9 遊戲審判魔眼 15

圖 21-10 設計過後的房間 16

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 18

圖 21-12 Studierstube 使用畫面 19

圖 21-13 AR Pad 20

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議 21

圖 22-1 clientserver 網路模型 22

圖 22-2 p2p 網路模型 22

圖 22-3 混合式網路模型 23

圖 23-1 stratus 24

圖 32-1 研究架構圖 28

圖 33-1 多人整合系統架構 31

圖 33-2 多人整合系統架構 32

圖 33-3 Joomla 使用畫面 33

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合 34

圖 33-5 AR 資料存取 35

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

VIII

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖 36

圖 33-7 markermodel 配對介面設計 37

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計 38

圖 41-1 系統功能圖 46

圖 41-2 AR 畫面運作過程 48

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程 50

圖 41-4 顯示物件類型判斷 51

圖 41-5 物件上傳流程 52

圖 41-6 線上物件系統處理流程 53

圖 41-7 使用者連線過程 55

圖 41-7 Joomla 功能設定 56

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面 57

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面 57

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構 59

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構 59

圖 42-3 效能控制模組 60

圖 44-1 系統頁面展示 63

圖 44-2 會員註冊頁面 63

圖 44-3 線上物件系統功能選單 64

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面 65

圖 44-5 模型上傳頁面 65

圖 44-6 物件編輯頁面 66

圖 44-7 物件編輯頁面 67

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統 68

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統 68

圖 44-10 站內好友功能 69

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

IX

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面 69

圖 44-12 站內訊息畫面 70

圖 44-13 站內訊息畫面 70

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

1

第一章 緒論 11研究背景與動機

近年因科技發展日新月異電腦軟硬體技術也是突飛猛進電腦的進

步不僅僅改變了人們工作與生活的型態根據資策會統計至2007年12月

底止我國寬頻上網用戶464萬電話撥接用戶數為76萬戶台灣學術網

路(TaNet)用戶數為448萬人行動網路用戶數為1184萬戶經計算統計

後我國經常上網人口估算為1003萬人網際網路普及率達44(葉亭佳

2008)從這些數據資料中我們可以看到網路已成大家生活當中不可或

缺之元素

在此一越來越被依賴的領域當中許多日新月異的技術不斷出現並

在學習及娛樂等方面帶來許多創新與轉變虛擬實境(Virtual Reailty

VR)出現大大刺激使用者對於人機互動上之多媒體需求經過發展擴

增實境(Augmented Reality AR)概念便應運而生其概念為虛擬的物體

利用電腦演算建構在真實空間當中擴增實境可以讓使用者看到現場真

實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實而擴增實境可以讓使用者看到現場真實環境

以及重疊在現場環境中的虛擬物體具體而言擴增實境最重要的特色就

在於其為增進了現實而不是完全的取代現實(Azuma1997)

另外一方面由於電腦影像處理的能力的增強因此擴充現實技術應

用在各領域的研究正在逐漸增加(GovilYouNeumann2000)而關於擴增

實境應用在教育上的研究也不在少數大多有良好成效(卓詠欽王健華

2008蘇俊欽2002SheltonampHedley2002)教師傳達給學生知識時

通常會輔以課本或是教材的器具以增加學生的學習成效由最先的黑白

純文字到文字輔以彩色插圖到具體的模型和多媒體影片再到利用電

腦輔助進而使虛擬實境亦或是擴增實境輔助教學這說明了教學科技輔

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

2

助教學演化的趨勢

擴增實境的應用關注於虛擬物件與現實世界的結合藉由在現實環境

之中附加虛擬資訊讓學習者能以電腦或行動裝置在擴增實境系統架構

出的環境中與學習內容互動或是在其中探索因此擴增實境在教育上

的運用將可能帶來兼具傳統教學的互動特色以及現代電腦教學的多元

與創意性是一種相當值得被關注與發展的技術國內學者王燕超（2006）

更提到若能使「網路」「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合將

可以讓擴增實境發揮更完整的功能與效果

綜合以上所述有鑑於擴增實境應用於教育的日漸重要以及目前 AR

技術應用於教學領域的有限性本研究希望以擴增實境系統運作為基礎

進而設計建置線上多人擴增實境系統並且提供開放性之擴增實境標記

(marker)與物件(objects)線上編輯功能同時讓多使用者能同步進行遠

端合作式擴增實境系統之使用試圖整合網路資料庫與擴增實境的運

用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

12 研究目的

擴增實境已發展多年但至今卻少見以網際網路做為相關發展之研

究本研究將提出一結合擴增實境系統與多人整合系統架構以網頁為基

礎技術拓展多人擴增實境系統之互動與相關機制本研究具體研究目的

如下

1探討線上多人擴增實境系統的運作機制

2在網際網路架構下發展擴增實境系統之架構設計

3探討線上多人擴增實境系統之效益

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

3

13 研究問題

1線上多人擴增實境系統如何運作

2如何建置線上多人擴增實境系統

3如何評估線上多人擴增實境系統

14 研究架構

本研究分為五個章節第一章為緒論第二章節為文獻探討以商業

的角度探討當前的網路購物情形並以現有的技術瞭解系統整合的可行

性第三章為研究方法包含模擬平台的設計與驗證方法的確定第四章

為系統驗證與評估說明系統的實際運作模式以及針對其系統特性進

行功能性之評估最後一章為結論說明本研究的結果與未來的研究方

向本研究的論文架構如圖 14-1

圖 14-1 系統架構圖

緒論

文獻探討

研究方法

結論

系統驗證與評估

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

4

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

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1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

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由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

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可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

5

第二章 文獻探討 在文獻探討中本研究第一章節將針對擴增實境的定義發展以及

擴增實境的運作方式在現實中的運用和教育相關方面以及多人使用擴

增實境有諸多的探討以期在發展本研究內容時對於擴增實境有實際

的瞭解本章節的第二部份就探討到網路多人連線系統第三節則對於實

際製作本研究系統的軟體進行探討最後在對於本章節的文獻探討做一

個完整的總結以期盼如此的文獻探討可以對本研究建立一個穩固的基

石

21 擴增實境

211 擴增實境的定義與發展

在了解擴增實境（AR Augmented Reality）之前需先明白所謂虛

擬實境(VR Virtual Reality)之背景虛擬實境一詞由美國 VPL Research

公司的創辦人 Jaron Lanier 在 1989 年首先提出其後各學者分別從技術

設備構成要素人機界面或使用者經驗等不同的角度對虛擬實境定義

(梁朝雲李恩東1998)(引自李芳甄2001)Aukstakalnis 與 Blatner

認為虛擬實境是一個複雜且科際整合的想法其呈現出「完全由電腦所產

生的而且是互動的立體 3D 環境使用者可以完全融入此虛擬場景中並使

用之」(Vallino1998)Gigante 從技術設備的觀點出發主張虛擬實境

需要一些配備諸如三維圖形的視覺呈現與聲音系統頭部與手部姿勢

的追蹤系統觸覺回饋與聲音輸入輸出裝置等使用者在此虛擬的環境

中可產生參與的幻覺是一種浸入式多重感官刺激的經驗( Burdea

Coiffet 2003)Sheridan(1992)則認為感官資訊的適切傳遞延伸使

用者控制感測器與環境接觸以及操作虛擬環境中事物的高互動性為虛擬

實境的臨場感構成要素Sutherland(1965)則指出虛擬實境是由電腦產

生的模擬世界使用者可在其間自由行動且獲得回饋就如同在真實的

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

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圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

6

三維空間中移動一般Sheridan(1992)經由分析虛擬實境的臨場感構成元

素切入分別是使用者控制感測器與環境接觸感官資訊的適切傳遞延

伸並能操作虛擬環境中的事物具有良好的互動性Latta(1991)則是

從構成要素的角度定義虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共同創造

的一個具感受性環境而且此一環境可由個人行動控制他認為虛擬實境

的三個要素是真實度(Degree of Realism)個人控制(Individual

Control)和可感測的環境(Sensory Environment)

綜合以上文獻可以整理出虛擬實境是一種模擬技術藉由電腦繪圖

建構出與真實相仿的視覺擬真環境而所建構出的環境亦具有與使用者即

時互動溝通的能力

擴增實境則為虛擬實境之延伸若把一個環境的構成解析成場景與存

在物兩個方面虛擬實境無論場景與存在物皆由電腦繪製而擴增實境則

將虛擬的物體利用電腦演算後建構在真實空間中讓虛擬物件融入生活

場景裡(Billinghurst2008)擴增實境（Augmented Reality AR）是將

「現實的環境影像」及「電腦虛擬影像」互相結合的一種新技術讓使用

者可以在親眼 所見的實際環境中操作虛擬3D立體物件（陳坤淼2007）

它將虛擬資訊加到使用者 感官知覺上的電腦顯示器（費納吳鴻譯

2002）製造使用者真實與虛幻並存的知覺（薛文珍2002）最早關於

擴增實境的研究可追溯至1965年(Sutheland)當中對於AR的輪廓已有約

略的描述 Milgram et al (1994)則將現實環境與虛擬環境視為一封

閉的集合如圖21-1 所示圖的左邊代表真實的環境而圖的右邊代表

純虛擬的環境那麼在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物

件同時的呈現並以混合真實(MRMixed Reality)類別來表示這個區域

因此可以了解擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間屬於混合真實類別下

的一個類別本圖也指出擴增實境當中應以現實環境的比重較重即是

最終所表現出的環境應以現實為主虛擬為輔直至1998年才有專門

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

7

討論擴增實境的研討會IWAR(the International Workshop on Augmented

Reality lsquo98)

圖 21-1 真實－虛擬連續性(資料來源Milgram et al 1994)

Azuma(1997)將擴增實境定義為是一種虛擬實境的變化虛擬實境讓使

用者完全的融入電腦所創造出的虛擬環境中所以當使用者在虛擬實境中

時無法察覺到其週遭的現實環境然而擴增實境可以讓使用者看到現場

真實環境以及重疊在現場環境中的虛擬物體因此擴充現實是增進了現

實而不是完全的取代現實Azuma 提出擴增實境有三項必需的屬性一

是結合真實與虛擬二是即時性的互動三是必需在三度空間內

212 擴增實境的運作方式

根據 Milgram et al(1994)的研究欲將虛擬物件繪製在現場環境

融入在真實的世界裡將與現實結合的虛擬資訊附加到代表使用者視覺感

官 的 電 腦 顯 示 器 上 可 利 用 下 列 兩 種 方 式 ( 一 ) 視 覺 透視

（See-through）如圖 21-2 所示使用者透過顯示半透明的光學顯示裝

置(Optical combiners)直接的看到周遭的環境電腦所繪製的虛擬物

體經過運算後也同時映射在顯示裝置當中(二) 螢幕顯示（Monitor

based）如圖 21-3 所示 電腦利用攝影機即時截取當時畫面後與虛擬

物件結合再將畫面再將合併後的畫面呈現在不透明的頭戴式顯示器或螢

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

8

幕上美國華盛頓大學的 Mark Billinghurst（2003）等人對於擴增實境

的顯示方式進行了實驗以 液晶螢幕手持移動裝置以及頭戴式顯示器

相互比較其研究結果發現現階段較適合用於擴增實境的顯示裝置為 LCD

螢幕探究其主原因是因為頭戴式顯示器的視角解析度等等硬體限制

會阻斷使用者對於現實環境的直接認知而 LCD 螢幕的顯示不僅能讓人

同時了解虛擬的物件和現實世界的關連在多人進行擴增實境的操作時

使用者之間能較為直接的進行討論以及互動

圖 21-2 直覺透視型 AR 運作方式(Azuma1997)

圖 21-3 營幕顯示型 AR 運作方式 Vallino (1998)

在實體的現場空間當中電腦欲追蹤現場的物件並根據物件的相關

空 間 資 訊 繪 製 虛 擬 元 件 可 分 為 下 列 三 種 方 式 (Zhou Duh

Billinghurst2008)

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

9

1 感應式追蹤(Sensor-Based Tracking Technique)

2 影像辨識式追蹤(Vision-Based Tracking Technique)

3 混合式追蹤(Hybrid Tracking Technique)

所謂感應式追蹤顧名思義便為利用各種不同類型之感測器所發出的

訊號做為判定物件之方式感應方式諸如磁性聲音光學機械全

球定位系統(GPS)以及羅盤等等其中 Newman 等人於 2001 年的研究便

是利用超音波探測器做為追蹤之依據(Newman Ingram amp Hopper2001)

以感測器做為 AR 系統之追蹤方式其擁有較高的資訊更新頻率但因其

物 理 特 性 可 能 易 受 其 他 外 在 因 素 影 響 (Rolland Davis amp

Baillot2001)AR 系統也需特別針對不同的感測方式撰寫不同之判斷

方法程式

影像辨識式追蹤則是利用攝影機 連續擷取現場之畫面傳送至個人

電腦後針對畫面進行影像處理再進而分析之其中可進而細分為兩種方

式 光學標誌追蹤以及實體影像辨識（陳九懿2009Total Immersion）

光學標誌追蹤是利用擺放在現實場景中的黑白標識圖卡做為其判斷依

據進而運算虛擬物件描繪在場景上的座標旋轉角度縮放比例等資訊

（如圖 21-4）而於 1999 年成立的法國 Total Immersion 公司則是發展不

需特定光學標誌的技術 DFusion其不但擁有光學標誌追蹤技術的優

點並且可以利用現實生活中任何的平面影像當作辨識記號如圖 21-4

但因其授權費高昂函式庫未開放修改目前多為商業上的展示應用相

較之下光學標誌追蹤因其軟硬體所需成本低廉辨識與追蹤速度皆符合

一般需求許多領域之研究多採用此辨識方式

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

10

圖 21-4 標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst 2001)

圖 21-5 立體影像辨識式 AR（圖片來源 httpwwwt-immersioncom）

美國華盛頓州立大學人機介面科技實驗室 Kato 等人則以 C語言與開

發了 ARToolKit 函式庫(1999)其根據 GPL(General Public License)授

權使用者可免費使用其提供的函式庫來編譯與建立一個擴增實境的應用

程式ARToolkit 的最大特色在於利用成本低廉的網路攝影機拍攝含有

光學辨識標記的連續現場畫面傳送至個人電腦經過影像辨識後便可以

將建構的虛擬圖像直接重疊在現實的特定物件上因其自由軟體之特性

ARtoolKit 在應用領域以及研究領域上有很大的發展潛力其後另有針對

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

11

JAVACAndroid 平台開發的 NyARToolkit以及於 2008 年五月推出基於

Flash Actionscript 30 上的 FlARTooKit

混合式追蹤則是同時使用兩種以上追蹤方式做為附加虛擬物件依據

之方式現今相關研究當中大多是以一追蹤技術為主另一為輔早期

關於混合式追蹤之擴增實境研究大多以光學辨識標記(Marker)為主

( Auer Pinz1999)( Kanbara Fujii Takemura amp Yokoya2000)另

Feiner(1997)等人之研究 則是利用 GPS 當做主要追蹤技術近來手持移

動裝備技術突飛猛進許多手機擴增實境應用(SRoach2009)應運而生

當中大部份以 GPS 定位系統和電子羅盤輔做為其追蹤之技術使用者使用

AR Mobile 時GPS 定位系統可以接收其所處地方之經緯度座標傳回系

統後利用座標搜尋附近相關資訊再搭配電子羅盤判斷使用者所面對之

方向而後將下載之相關資訊繪製於攝影機捕捉之畫面當中但目前同時

擁有 GPS 和電子羅盤的手持裝置皆為價格高昂之高階智慧型手機使得

AR Mobile 之推廣有其門檻也因其 GPS 以及電子羅盤之特性系統無法

針對虛擬元件附加於結果畫面時進行較為精準的座標判斷另因為手持

裝置運算速度與容量之限制虛擬元件大多無法經過太精密的運算故描

繪於現場畫面的虛擬元件大多是描述相關景點的簡單文字訊息所以現

今相關應用大多是地圖資訊以及實地導覽等等

綜合上述關於 AR 系統之運作方式本研究整合追蹤之種類整理出

現今主要以螢幕顯示為主之擴增實境技術其中並針對追蹤方式準確

率建置成本等特性之利弊加以比較如表 21-1 所示

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

12

技術種類 超音波式擴增

實境 AR Mobile Dfusion FLARToolKit

追蹤方式

感應式 混合式

影像辨識式

(任意平面影

像)

影像辨識式

(光學辨識標

記)

追蹤準確

率

易受外在因素

影響 無法精確追蹤 高 高

硬體建置 特定感測器

個人電腦

含有 GPS 與電

子羅盤的高階

手機

個人電腦攝

影機

個人電腦網

路攝機

開發建

置成本 中自行開發

中特定之開

發環境 高商業軟體

低開放原始

碼

虛擬模型

表現程度

三維模型立體

顯示

受硬體限制

多為文字訊息

三維模型立體

顯示

三維模型立體

顯示

系統功能

修改 自行修改

受硬體限制

修改空間小

封閉式系統

無法修改

開放原始碼

可修改程度高

表 21-1 現今擴增實境技術比較

從上表中可看出FLARToolKit 之開放原始碼特性使得開發人員容

易修改系統功能較高的追蹤率加上可以描繪三維模型於現場畫面當中

應非常適合做為教學與研究之使用

213 擴增實境的運用

AR 技術發展至今在許多領域皆可窺見其蹤跡例如 1996 年的怪物

奇兵(Space Jam)電影如圖 21-6便是以真實場景結合虛擬圖像之擴增

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

13

實境呈獻影片當中真人演員與卡通角色的互動演出即為 AR 應用之一

圖 21-6 怪物奇兵（資料來源

httpwwwimdbcommediarm666343680tt0117705）

而近年手機之軟硬體發展已達成熟移動式的擴增實境系統發展也日

益成熟同時具有 GPS 系統以及電子羅盤功能的高階智慧型手機逐漸普

遍其位於荷蘭阿姆斯特丹的軟體開發商 SPRXmobile 所推出的 Layar 更

為進期極受矚目之手機擴增實境軟體不論是蘋果公司所推出的 Iphone

以及 google 公司所發展的 Android 作業系統之手機皆可使用其特色在

於使用者可以透過手機內建的攝影機輕鬆的看到虛實整合的豐富世

界Layar 本身為一以地圖資訊為主的應用程式系統取得使用者之經緯

度座標以所面向之方位後經網際網路搜尋附近商家地鐵站景點等資

訊而後即時將資料疊合於手機所拍攝之畫面中如圖 21-7 所示使用

者在下載資訊之餘也可以針對自行編輯的資訊進行上傳以供其他使用

者瀏覽

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

14

圖 21-7 有 AR 功能的手機（資料來源

httpwwwsoundwalkcomblogtagnuit-blanche）

擴增實境技術在電腦遊戲當中也可以發現其身影隱形寶貝

（Invizimals）為一款在 PSP（PlayStation Portable）掌上型遊戲機使用的 AR

遊戲其利用安裝於遊戲機上的外接攝影機進行現場畫面之拍攝並利用附贈

之光學便辨識標記進行遊戲遊戲中之場景即為攝影機捕捉之連續畫面使用者

所操控之遊戲角色則會在遊戲畫面中動作而另一款於 PS3(Playstation 3)的

遊戲「審判魔眼」也是透過外接攝影機以影像辨識方式遊玩的卡片對戰

遊戲使用者於九宮格盤面上使用含有光學辨識標記的卡片來召喚遊戲生

物進行攻防以先奪得 5 個區塊為目標

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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取自

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學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

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• 封面01
• 論文_修

15

圖 21-8 戲隱形寶貝（資料來源巴哈姆特）

圖 21-9 遊戲審判魔眼（資料來源

httpps3byEyeofJdgmntThe_Eye_of_Judgment_2jpg）

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

16

在現實世界當中加入原本不存在的虛擬物件常可以吸引使用者的注

意力故擴增實境在商業上之展示與應用也是履見不鮮美國零售業公司

Walmart 便針對青少年推出一家俱販售服務 Your Zone使用者於網頁上

選擇心中喜歡的房間設計以及家俱陳設後經由印表機列印光學辨識標

記經網路攝影機拍攝即可在螢幕中看見所設計之成果如圖 21-10

圖 21-10 設計過後的房間（資料來源

httpmichaeldusingcom20090803arretail）

214 使用擴增實境於教育的相關研究

經由國內外文獻探討發現許多學者也紛紛將擴增實境概念與教育領

域結合擴增實境是一種新型態可增加學生學習效果的教學方式在未來

也能有很大的發展(Kikuo Tomotsugu 2005)而 Kaufman(2006)的研究

指出不論是老師或學生都對於擴增實境與虛擬實境應用於幾何教學當

中相當感興趣不僅學童不需花太多時間學習對於學習效果又有一致

性擴增實境克服了以傳統教學難以解決的問題Shelton 和 Hedley

(2002)便在九大行星的教學活動當中使用擴增實境教學使得學生可以藉

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

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綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

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甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

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412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

17

由場景建構與操作物件(如圖 214-1)透過眼睛建立起抽象的科學概

念不僅如此老師也因此可準備較少的教材來達到教學效果學生的知

覺和了解度也因新技術而有所增加Eric Mark Graham 及 Barbara 在

ldquoAugmenting the Science Centre and Museum Experience實作案例

中發現應用擴增實境於教育當中學生都很興奮而且喜歡對於需要時

間概念的知識以及空間概念關係擴增實境可以立體而且即時的方式呈

現並且用手當場操作學生接受到具象的知識呈現比起傳統教學會

更自然的接受及改變原本的先備知識(Woods Billinghurst Looser

Aldridge Brown Garrie amp Nelles2004)學生經由互動式三維模型

的操作輔助學習在了解空間概念上有著潛在的助益 (Shelton

Hedley 2002)除此之外以 3D 電腦動畫可以藉助影像將空間概念具體

化有助於教學歸納 (李婉芬2006)以擴增實境技術當做教具在學

習者流暢的進行互動下往往可衍生出新的教學策略讓沒有電腦經驗的

使用者可順利進行學習(Billinghurst et al2003)擴增實境也有可以

令學習者沉浸學習內容中的特性(卓詠欽王健華2008)

近幾年國內也有許多研究案例將擴增實境與電腦遊戲結合如白益

欣（2005）嘗試將擴增實境的界面特性應用在電腦遊戲學習設計其所設

計之多人學習介面經證實的確在引起學習動機和模擬學習情境等目標上

有正面影響卓詠欽與王建華（2008）則探討了擴增實境在國小自然與生

活科技學科上結合的可行性並且針對台灣的教育現況提出建置擴增實

境的具體建議也有研究利用概念圖來探索學生對教學主題的先備知識

來設定出合乎學生和老師需求的課程內容最後將成果將做為 建置 AR 系

統內容之基礎研究證明使用該 AR 系統作為教具將可以達到更好的學習

效果（莊順凱2005）在注音符號的教學上蘇俊欽（2004）利用三維

建模的方式將平面形象的卡通角色立體化融入擴增實境環境中學童的

學習成效和學習反應皆比傳統教學良好更有研究把擴增實境概念資訊

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

18

節點行動設備三個面向導入於環境行動學習當中不論是定點的同步資

訊或是行進當中以非同步方式查詢將生態水池的資訊環境緊密的串聯

成一個完整的資訊學習網絡（沈揚庭2005）李孟軒（2006）則嘗試在

數位典藏領域中應用互動式數位典藏展示介面設計以擴增實境科技結合

互動多媒體應用於數位典藏雜誌之建構將虛擬與真實物件與生活場景相

融合反應出數位典藏互動展示模式與使用者生活環境結合更能有系統

地整合串聯多媒體資訊

圖 21-11 教師利用 AR 技術上課實況 (Shelton Hedley 2002)

從以上教育與擴增實境結合之相關文獻可歸納出下列特性(卓詠

欽王健華2008)

1 學習的新鮮感擴以創新的擴增實境技術藉由電腦呈獻多媒體互

動性高的教學內容讓使用者獲得樂趣之餘更因虛擬物體與實體場

景的高度互動引發學習動機與熱忱

2 互動性學生與課程內容直接的互動降低了資訊先備能力對於課程

教學的影響並且提高學童對於課堂的參與度與學習自信心較難的

抽象概念在可實際操作反覆練習的環境下應可理解力與熟悉度

3 增加空間概念學習者可以很容易辨別虛擬實體與環境的空間關係

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

19

在抽象的空間概念中如果利用可以「看得見」的方式來講解將抽

像轉為具像能提升學生對空間的理解能力

215 多人擴增實境

自 1960 年代擴增實境概念被提及後約三十年才有關於多人擴增實

境的研究出現Studierstube 為一個可提供多使用者同時使用 AR 系統的

軟 體 框 架 (framework) (Schmalstieg Fuhrmann Szalavari amp

Gervautz1998) 其利用 client-server 架構讓多個使用者透過頭戴

穿透式顯示設備如圖 21-12同時對擴增實境中之虛擬元件進行觀看

討論以及操作而針對多人合作式擴增實境之種類則可分為下列兩種

(Silva Giraldi amp Oliveira2003)

1同一空間合作式擴增實境(co-located collaborative AR)

2遠端合作式擴增實境(remote collaborative AR)

圖 21-12 Studierstube 使用畫面(資料來源

httpstudierstubeicgtu-grazacat)

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

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修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

20

同一空間之合作式 AR 的特性在於多個使用者可在同一實體環境下

創造一個擴增實境空間在操弄虛擬物件的同時使用者之間的言語手

勢眼神等溝通方式能夠直觀且完整被傳達進而達成討論之目的前文

提及的 Studiestube 即屬於此類型之 AR 系統架構另有 AR Pad 也為同一

空間之多人 AR 系統(Billinghurst amp Kato2002)如圖 215-2其利用

手持螢幕攝影機搖桿所組成的可連線裝置進行擴增實境系統之使用

多名使用者不需戴上頭戴式顯示器即可看見相同的虛擬物件

圖 21-13 AR Pad(Billinghurst et al 2002)

在過去的經驗當中單獨影像或是單獨聲音的異地溝通往往不如兩

個人在同一個空間講話那樣能夠傳達豐富的訊息因為完整的訊息傳達並

不能只靠其中一種方式而已(Bllinghurst amp Kato 2002)以講電話為例

當人們使用電話作為的溝通工具就無法看到對方的手勢和眼神或是任

何視覺的畫面無法接收到對方講話時的身體語言臉部表情等等非語言

訊息相反的遠端型多人 AR 可以讓身處於不同空間的使用者彷彿在

同一空間地感受到身歷其境的臨場感(Zhou Duh amp Billinghurst

2008)Billinghurst 等學者便嘗試利用攝影機光學辨識標記以及網路

等設備建構一個基於擴增實境功能的遠端會議系統 (Kato amp

Billinghurst 1999)Kaufmann 和 Schmalstieg 也提到利用多人 AR

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

21

在遠端學習上有不錯的效果(2003)因為老師能夠在遠端利用擴增實境系

統指導學生的課業問題學生們也能分別在不同地方同時針對特定主

題之虛擬物件利用 AR 系統進行討論

圖 21-14 利用遠端 AR 進行視訊會議(Kato amp Billinghurst1999)

22 網路多人連線

網際網路(Internet)為一龐大之資料交換平台欲建置系統於網際網

路之上並且利用其進行多人連線之運作有必要先行針對網路連線架構

以及網路模型做一全面性了解目前常見的通訊協定(protocol)有下下列

三種(李國有2001)

1 ClientServer由圖 22-1 可知 Client(客戶端)Sever(伺服器)為

一種主從管理式的網路連線架構其為網路系統中較為普遍的網路架

構常見的服務如網頁何服器FTPBBS 等等在 ClientServer 架

構下由一個伺服器與多個客戶端組成Server 負責處理大量的資料

與程式Client 欲與其他 Client 聯繫皆需先將資料上傳至伺服器

透過 Server 端轉達再傳至另一客戶端Client 之間不做直接之通

訊由於所有資料都會經過伺服器何服器需往往需處理大量的資料

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

22

圖 22-1 clientserver 網路模型(引自李國有2001)

2 P2P 如圖 2-22 所示p2p 架構為一對等式架構欲和其他客戶端

溝通則直接和其建立直接之連線由自身負單傳送資料之責任意

即每一個 client 都扮演 server 之角色其優點為若是有大量之客戶

端在良好的連線品質前提下客戶端無需因為共同分享與 server

連線之頻寬而犧牲其速度

圖 22-2 p2p 網路模型(引自李國有2001)

Client

Client

Client Client

Client

Client

SERVER Client Client

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

23

3 Hybrid ClientServer由 Server 由一台或多台電腦組成結合了

ClientServer 與 P2P 的方式一台 Server 負責一部分的 client 連

線而 Server 與 Server 以階層或 P2P 的方式連線如圖 2-23由

於處理 client 服務的負擔非由一台電腦來完成因此對 server 的負

擔較小而 client 也能得到 Server 即時的服務多人線上遊戲多以

此架構建立而成使用 Hybrid clientserver 架構的優點有四重要

的資料可以集中在伺服器之中並對特定 client 提供服務由 server

處理較複雜運算超越單一伺服器運算的物理極限部分 server 或

client 出現問題時不會影響全體

圖 22-3 混合式網路模型(引自李國有2001)

23 其他相關技術

為發展一具有可編輯性之線上多人擴增實境系統本研節將針對所相

關的技術進行探討

231 Flash

Flash 為 Adobe 推出的多媒體動畫應用程式其優點為體積小容易

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

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• 封面01
• 論文_修

24

於網路上流傳超過九成的瀏覽器都有安裝其外掛程式(Adobe2008)

以 Actionscript 開發 Flash 應用程式可省下軟體發佈的困擾

232 Adobe Stratus

Adobe 公司於 2008 年推出 Stratus 服務其利用 RTMFP(Real-Time

Media Flow Protocol)協定可以使基於 flash player 10 的應用程式透

過點對傳輸技術以低成本的方式直接與遠端 flash 應用程式溝通而

無需經過中間的伺服器不同於早前 flash 常採用的 Flash Media Server

所遵循之 RTMP(Real Time Messaging Protocol)協定RTMFP 建立在 UDP

協定之上其特性除了點對點傳輸外更可直接穿透防火牆使得 flash

player 之間的溝通更為便利使用 Stratus 可以應用於多人遊戲網路通

訊等服務而欲使用 Stratus 服務flash player 只需向 stratus 伺服器

即時註冊如圖 23-1 所示而後 flash player 便以註冊後之資訊直接

與其他端點溝通以及傳送資料

圖 23-1 stratus (資料來源wwwadobecom)

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

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• 封面01
• 論文_修

25

233 Joomla

Joomla 為一開放原始碼之自由軟體其為一內容管理系統(Content

Management System CMS)採用 PHP 和 MySql 建構之可以在 Linux

WindowsMacOSX等各種不同的平台上執行目前是由Open Source Matters

開放源碼組織進行開發與支援其前身是知名的 Mambo 系統因其簡單使

用安裝方便之特性許多入口網站皆採用 Joomla 做為網站基礎

24 總結

綜合前文之文獻探討本研究發現國內外利用擴增實境功能輔助於

教學應用上多有顯著之功效(卓詠欽王健華2008蘇俊欽2002

SheltonampHedley2002)其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生與課

程之間的互動程度但是本研究也發現現今多數 AR 結合教育之相關研

究皆針對單一專業領域或是單一課程系統固定無法彈性更改擴增實境

教學內容之呈現同時在多人合作式擴增實境(Collaborative AR)的相關

研究當中亦發現主要多人應用方式皆聚焦於同一擴增實境物件與環境

而未能擴及遠端式多重擴增實境之發展研究者推斷上述提及之現今 AR

研究特性應與其系統建置技術有關從文獻當中可以發現以光學追蹤

標計為主的 AR 研究大多是利用 C語言的 ARtooKit 函式庫進行開發教

學者需具備程式設計之相關能力背景才能夠撰寫相關程式加上大部份

的教學相關研究都是以教學者自己的專業為主AR 為輔所以推測可能建

置方式就是在撰寫程式碼時期就把 markermodel 一同編譯沒有針對物

件的可編輯性進行評估如此一來系統在研究結束後若欲更改系統內

之辨識標記或是顯示模型有其困難度

研究者另發現欲將擴增實境技術的應用有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合(王燕超2006)AR 系統便

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

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王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

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• 封面01
• 論文_修

26

可以「整合式資訊」「無遠弗屆的應用」與「立即式的精緻資訊呈現」

等特質更加提升其輔助數位學習之效益

縱觀本章針對擴增實境之探討本研究擬開發一線上多人擴增實境系

統並且使其擁有開放性之線上物件編輯功能同時能讓多使用者同步進

行遠端合作式擴增實境系統之使用藉以增進 AR 系統輔助教學之效益

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

27

第三章 研究方法 本章欲針對三大部份進行討論研究架構一節針對整體研究流程進行

說明而系統分析設計當中則針對多人線上擴增實境系統進行詳細規劃

與分析設計並分別對於多人整合系統以及線上擴增實境系統有詳細探

討其中對於使用者權限規劃物件存取方式以及傳輸技術多有著墨了

解兩系統之特性後則逐步整合為一符合本研究需求之系統架構並且清

楚說明系統當中各個功能模組的使用及其分析其中也對系統所需軟硬體

以及開發工具加以詳述了解其完整系統架構後最後進行總結本研究期

望經過研究方法設計後能進行完整之系統建置

31 研究架構

本研究以相關文獻作為研究理論基礎以及系統建置之圭臬當中發現

應可針對現有研究可改進之處設計一全新的擴增實境系統為達目標

本研究整理出圖 31-1 之研究架構經過第一章的發現問題與確定研究

問題與目的本研究以此為根據在文獻探討當中了解擴增實境的發展以

及現在在各專業領域的應用與研究並且整理出當今 AR 系統的運作方式

與其優劣從而了解目前電腦技術發展對於擴增實境系統的影響與幫助

其後並針對研究問題與目的中相關的應用方式進行整理系統分析與設

計則專注於線上擴增實境系統之功能架構細部規畫而後進行系統建

置並對其進行評估

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

28

圖 32-1 研究架構圖

32 系統目標

綜合第二章的文獻探討本研究欲設計一擴增實境系統可以使教學

者在使用擴增實境系統時有自行編輯系統內容的教學彈性同時利用便捷

的網頁瀏覽器做為軟體平台並且提供多人同時使用 AR 系統為滿足上

述之預期本研究列出以下系統目標藉以進行系統設計與規劃

1 可供編輯的擴增實境系統環境鑑於目前眾多關於擴增實境的研究裡

大多沒有提及系統當中需要用到的辨識標記與模型的準備情形極可能

發現問題

確定研究問

題與目的

文獻探討

研究設計 系統分析設計

系統發展

評估與結果分析

結論

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

29

為辨識標記與模型需要與 AR 程式一同編譯為完整之系統所以教學者

欲嘗試使用擴增實境系統時可能需具備專業的程式設計背景方能完

成系統建置再者辨識標記與模型在編譯時期便固定於程式之中修

改與更動的困難度提高如此一來對於無程式撰寫能力的專業教學者

而言使用擴增實境於自身領域有其困難度故本研究認為設計一

個開放式的 AR 系統編輯環境讓教學者能夠在教學活動前自由編輯系

統當中所需的辨識標計與模型有其必要性

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統現今關於使用辨識標記

(Marker)的擴增實境研究當中大多是利用 C語言開發的 ARtoolkit

函式庫加以撰寫因其程式語言本身之特性使得擴增行實境系統的網

路化不易實現適逢基於 flash 的 AR 函式庫 flartoolkit 推出應有

設計網路 AR 系統之必要舉凡單人使用單一標記與模型的網路擴增實

境系統的優點不外乎為使用者可以在任一部連上網際網路的個人電腦

上透過瀏覽器便可使用 AR 功能同時也無需安裝其他程式相對於

以往的擴增實境系統其大大提升使用與上的便利性

3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統在單一模型與辨識

標記的網路擴增實境系統當中使用者在過程裡只有一個辨識標記可以

使用系統也只會顯示出一個模型若是將系統設計為多個辨識標記加

上多個顯示模型不僅讓整個使用內容的廣度增加不同的顯示結果組

合也可以創造出不同的教學內容在加上前文所提及可供編輯的擴增

實境系統環境整體的調整彈性更是大幅提升

4 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統如果能讓遠

端的使用者能夠看見自身操作擴增實境系統的畫面同時針對 AR 內容

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

30

進行討論對於使用性應有實質幫助故本研究規劃網路多人連線的擴

增實境系統架構用戶之間不僅可以看見彼此操作 AR 系統的畫面更

可以透過語音與文字交談達到相互討論擴增實境系統之目的

33 系統分析與設計

為將前文提及之系統目標逐步進行實際規劃本研究將進行系統分析

設計期望能夠針對一個功能完整之多人擴增實境網路系統進行完善的分

析與規畫當中針對多使用者在同一系統上進行操作時其維護以及管理

等安全性問題本研究擬以多人整合系統解決之而擴增實境相關功能以

及線上辨識標記與模型編輯系統則是利用擴增實境系統滿足需求

331 多人整合系統運作模式

本研究欲採用 Joomla 進行多人整合系統之製作Joomla 為一會員功

能完整之內容管理(content management system CMS)平台其以 PHP

MySQLApache 技術開發因其開放原始碼(open source)之特性搭配上

許多功能強大的擴充模組(plugin)已可約略滿足本研究對於多人整合系

統之需求

3311 多人整合系統-系統架構

Joomla 本身已針對多人會員管理已有註冊登入權限管理等功能

同時也提供完善的內容管理功能網頁內容可以簡易的在瀏覽器當中進行

管理連同網頁當中的功能選單皆可根據本研究的需求針對不同身份

開放不同的瀏覽權限如圖 33-1 所示

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

31

圖 33-1 多人整合系統架構

3312 多人整合系統-系統功能

本系統應能在使用者登入後針對各個會員等級提供不同內容之頁

面以達多重存取權限功能如圖 33-2使用者在使用過程當中系統

皆能以事先規劃好之存取等級提供服務如圖 33-3

Joomla

功能選單 會員管理

會員註冊

會員登入

存取等級管理

內容管理

新增網頁內容

刪除網頁內容

多重瀏覽權限

修改網頁內容

新增選單內容

刪除選單內容

修改選單內容

多重瀏覽權限

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

32

圖 33-2 多人整合系統架構

使用者登入

判斷帳號

是否為管

理者等級

判斷帳號

是否為教

師等級

判斷帳號

是否為學

生等級

系統根據管理員等

級提供內容

系統根據教師等級

提供內容

系統根據學生等級

提供內容

是

是

是

否

否

否

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

33

圖 33-3 Joomla 使用畫面

332 擴增實境系統

本研究欲設計出一擴增實境系統可以提供線上編輯模型與辨識標記

功能同時能夠線上視覺化配對辨識標記與模型並且能夠於網際網路上

多人使用同時接收遠端影音資訊

3321 擴增實境系統-系統架構

為使擴增實境可於網際網路上供多人同時使用運作同時提供辨識標

記(marker)與模型(model)上傳並且擁有視覺化的配對編輯功能本研

究欲採用 Actionscript 30 撰寫 Flash 程式使用 stratus 點對點傳輸

技術加上 flartoolkit 擴增實境函式庫輔以 PaperVision 三維顯示函

式庫並且搭配 PHPMySQL 程式之撰寫符合需求之擴增實境系統電腦經

由網路攝影機擷取包含使用者與標記之畫面利用 flartoolkit 函式庫分

析辨識標記的編號位置尺寸傾斜與旋轉角度等資訊而後交予

PpaperVision 函式庫計算出相對應之三維模型呈現方式flash 再將攝

影機之擷取畫面與模型描繪結果相互合併後呈獻於顯示器上如圖(如

圖 33-4)

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

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綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

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412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

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為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

34

圖 33-4 現場畫面與三維模型結合

為使教學者可在使用擴增實境系統前於每次教學活動當中搭配不同

的教學內容本研究擬設計一動態連結架構使擴增實境系統可以彈性的

根據教學者的規劃使用不同的辨識標記與模型如圖 33-5具有特定權

限的使用者可根據不同需求上傳特定的光學辨識標記以及模型檔案至系

統資料庫當中而在使用本研究之擴增實境系統之前教學者可針對當次

教學活動搭配不同的標記與模型其結果配對檔案則儲存於伺服器當中

使用者在執行擴增實境程式時系統便自動從伺服器下載所需檔案

分析畫

面當中

的辨識

標記

繪製

對應

的三

維圖

型 攝影機擷取

現場畫面

合成後之結果

Flartoolkit PaperVision

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

35

圖 33-5 AR 資料存取

關於使用者與使用者間的擴增實境資訊互相傳遞則使用 Adobe 公司

提供的 stratus 點對點傳輸技術用戶向 stratus 伺服器申請唯一識別碼

後使用者便以此識別碼和其他用戶直接溝通傳送影音資料 (如圖

辨識標記資料庫 模型資料庫

辨識標記模型配對檔案

擴增實境程式

編輯者

模型檔案辨識標記

使用者

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

36

33-6)

圖 33-6 AR 系統點對點傳輸示意圖

3322 擴增實境系統-系統功能

管理者與教學者在使用本系統之 markermodel 配對功能時無需考

慮是否具有專業程式設計背景只需以網頁瀏覽器連線至伺服器便可以

直觀的方式利用滑鼠操作視覺化的配對程式其配對結果經過 php 程式

處理直接儲存於伺服器端供使用者的 AR 系統下載使用(如圖 33-7)

使用者 A 使用者 B

AR 影像

聲音

文字訊息

Stratus 伺服器

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

37

圖 33-7 markermodel 配對介面設計

本研究欲使擴增實境系統可以不受特定的設備限制使用者可在任何

地方經由網際網路從本研究規劃之伺服器下載相關檔案後自行在電腦

前使用網頁瀏覽器達到擴增實境功能如此一來便可消除 AR 系統原

本因為設備或是特定檔案而有地域上的限制性

而考慮在 AR 系統上的使用性本研究期望使用者可以同時使用多個

辨識標記在電腦中呈現多個經計算後之模型與現現場結合之畫面如圖

33-8有別於只能使用單個辨識標記對應單個模型檔案之 AR 系統本研

究無需侷限唯一的標記與模型之搭配其規劃應更能豐富其使用過程增

加彈性同時搭配教學者預先編輯好的配對檔案可以使每一次執行 AR

系統時皆按照教學者的安排進行使用

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

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40-63

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為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

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• 封面01
• 論文_修

38

圖 33-8 單人多 Marker AR 使用畫面

而本研究規劃之擴增實境系統當中使用者在經過連線手續之後不

僅可在螢幕當中看見自身操弄辨識標記後與經由伺服器下載的虛擬模型

結合之畫面更可經由點對點傳輸技術接收遠端使用者之操弄畫面聲

音資料與文字訊息同時進行影音與文字交談(如圖 33-9)

圖 33-9 多人 AR 系統介面設計

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

39

333 多人擴增實境展示系統

根據前文之分析本研究擬整合前文兩系統之功能並規劃一完整之

系統架構可以提供一功能完整之線上擴增實境系統

3331 系統架構說明

本研究嘗試結合線上擴增實境系統與多人整合系統以達到線上編輯

markermodel視覺化配對以及多人擴增實境之功能當中多人整合平台

採 用 Joomla 開 放 原 始 碼 架 站 軟 體 建 置 擴 增 實 境 系 統 則 以

Actionscript30 撰寫並且搭配 stratus 點對點傳輸技術多人整合系

統可提供使用者進行註冊登入等功能方便管理者針對所有使用者進行

管理系統當中的模組可以根據不同會員等級提供不同的存取權限符

合本研究對於不同身份之使用者給予不同功能之規劃而線上擴增實境系

統提供於瀏覽器當中使用擴增實境技術並且可以同步接收遠端使用者的

使用畫面文字訊息與音訊以達到遠端多人擴增實境需求上傳功能則

可讓編輯者自備辨識標記與模型 使用 AR 系統同時配對功能提供一簡

易操作的畫面讓教學者可以以簡單直覺的操作方式進行辨識標記與

模型之間的配對

3332 系統功能分析

本研究欲使用 Joomla 提供之帳號及內容管理功能針對不同身份之

使用者分別提供服務當中學生身份使用者登入後可進行單人擴增實境

使用也可以和其他使用者同時用線上多人擴增實境系統教學者則可針

對 AR 系統當中的辨識標記與模型進行配對編輯而管理者除了上述功能

外更可分別對於模型檔案與辨識標記進行維護各個身份別所能使用的

系統模組以及系統當中所使用的資料庫如圖 33-10 所示本研究根

本不同身份之使用者分別給予不同程度之使用系統權限系統當中各模

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

40

組功能則列於表 33-1 中

圖 33-10 系統架構

模組名稱 功能說明

帳號管理模組 提供帳號之註冊登入管理等功能

模型維護模組 AR 系統當中模型之維護功能

辨識標記維護模組 AR 系統當中辨識標記之維護功能

標記模型配對模組 使用資料庫中的模型標記予以配對

單人擴增實境系統 單一使用者使用擴增實境系統

多人擴增實境系統 多使用者同時使用之擴憎實境系統

表 33-1 模組功能說明

使用者 系統模組 資料庫

管理者

教學者

學生

模型維護模組

單人擴增實境系統

多人擴增實境系統

帳號管理模組

辨識標記維護模組

帳號資料

模型資料

辨識標記資料

標記模型配對模組

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

41

綜合以上模組功能以及系統功能本研究所規劃之系統旨在提供一個

以擴增實境為基礎的多人線上系統平台希望教學者藉此平台能夠在教學

過程當中無需擁有專業資訊背景便能依照自己的進程與順序安排教

材使用在擴增實境系統當中同時因為本系統的系統傳輸架構也解決

一般使用單機電腦教學軟體時學生自行散佈教學進度不同步等等難以

控管的教室管理問題其中本系統使用之點對點傳輸技術不僅大大減低

伺服器負擔也間接消除許多影音資料在網路傳輸上的阻礙提高傳輸品

質

3333 系統功能設計

根據前文的整理本研究嘗試綜合先前所規劃的系統目標進行以下

的系統功能設計在系統目標一節當中本研究整理出四點系統期望分

別為1可供編輯的擴增實境系統環境 2單人使用單一標記與模型的網路

擴增實境系統 3 單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統 4

多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統經過多方面的

系統分析後本研究整理出三項系統功能並以此進行系統功能設計探討

1 線上物件系統為了讓擴增實境系統可以有更大的使用彈性以及更簡易

的編輯方式本研究規劃一線上物件系統其中可以統一管理 AR 系統

當中所需的模型以及光學辨識標記具有特定權限的教學者經過登入驗

證程序後方可使用本系統系統當中可以針對 Marker 以及 Model 進行

維護模型與標記資料統一於資料庫中管理同時也可以在學生使用擴

增實境系統之前編輯標記與模型的相互搭配狀況其後擴增實境系統

經由伺服器自動存取 marker 與 model 資料其動態方式呼叫所需的辨

識與顯示資訊使得程式撰寫和系統內容得以做有效切割任何專業領

域教學者可自行安排教學內容無需進行程式設計只要經過簡單安裝

便可使用相同系統程式

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

42

2 單一模型多重模型網路擴增實境系統針對較於簡易的教學或展示活

動只包含單一 markermodel 的擴增實境系統便可以滿足需求快速

的讀取時間可以讓使用者立即的在電腦前與虛擬物件互動而多重標記

與模型的 AR 系統則讓教學者在此創新科技上有更寬廣的發揮空間

光學辨識標記和欲顯示之立體模型可以依照教學者對於教學活動的需

求做特定的安排倘若以上兩系統加以搭配線上物件系統則使具有

網路化特性的 AR 系統變的容易編輯如此一來不但降低擴增實境系

統的使用門檻也使原本因功能設備等限制的 AR 系統成為遠端教

學的一大利器

3 多人同步擴增實境系統多人同時連線的 AR 系統得以在同一個時間點

內允許不同的使用者透過點對點技術連線有機會針對同一事物進行

多方參與的討論並且輔以語音以及文字訊息進行即時的互動這樣

的功能將使擴增實境的使用跨越地域所形成的空間限制同時也讓位於

遠端的協同擴增實境系統可以以最簡單的方式在網頁瀏覽器上直接

使用

3334 系統設備與開發工具

本研究所規劃之系統將採用以下之設備與軟體進行建置

1 伺服器設備

甲 CPU本研究採用 Intel Pentium Dual CPU E2200 其處理

時脈為 22GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP service pack 2

丁 伺服器軟體AppServ 259 當中包含 Apache 228PHP

526 MySQL5051b

2 開發工具

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

43

甲 系統中的 flash 程式使用 flashdevdevelop 與 Adobe flex 共

同開發

乙 PHP 以及 html 程式則使用 Adobe dreamweaver 輔助開發

34 總結

藉著本章對於線上多人的擴增實境系統的規劃與分析當中已針對許

多關鍵環節之設計進行詳盡之探討在系統實作完成後將對本系統進行

系統功能評估希望以此了解線上多人擴增實境系統之效益

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

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61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

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圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

44

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

45

第四章 系統驗證和分析 經過研究設計與系統架構分析本研究將進行多人線上擴增實境系

統之開發當中將使多人整合系統以及線上擴增實境系統做一全面性的整

合本章將說明系統各項功能以及實際運作情形以及開發時所遭遇之困

難與解決方式並且透過系統功能評估進行探討

41 系統功能與架構設計探討

411 系統功能

本研究將依照研究設計所整理之系統架構設計進行開發建置其中多

人整合系統與線上擴增實境系統在經過架構剖析之後本研究將之整合為

一符合需求之線上多人擴增實境系統線上物件系統可對於擴增實境當中

之所需物件做有效管理網路擴增實境系統則以方便的網頁瀏覽器使用單

人之擴增實境功能同時結合線上物件系統內之編輯結果則成為一高開

放性的線上單人 AR 系統多人同步擴增實境系統則是讓使用者可在遠端

同時經過網路點對點傳輸技術連線進行擴增實境互動功能每一子系統

之功能規劃如圖 41-1 所示為符合教學上之需求系統功能將針對不同

身份開放其存取權限以下將針對每一子系統分別說明

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

46

圖 41-1 系統功能圖

1線上物件系統使用者身份認證後方可使用此系統當中管理者可以單

獨針對光學辨識標記或者是模型進行上傳資料庫等維護功能教學者與管

理者便可對於當次教學活動當中所需要物件內容進行搭配

2單人擴增實境系統此為單人使用的 AR 系統適用於較簡單的教學活

動user 從遠端經由瀏覽器進入本系統後後端自動把教學者所編輯好的

配對檔解析其後按照所需的物件自動下載至本機端

3多人同步擴增實境系統經過註冊的學員在登入驗證之後可以使用多

人同步擴增實境系統欲同時使用的使用者經過相互認證後便可同時使

用並且進行交談

多人線上擴增實境系統

線上物件系統多人同步擴增實境系統 單人擴增實境系統

光學標記維護

顯示模型維護

標記與模型配

對

單一模型標記

擴增實境系統

多重模型標記

擴增實境系統

網路連線

多使用者 AR 系統

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

47

412 系統運作架構

為使本研究欲建置之線上多人擴增實境系統滿足需求系統當中擬整

合 Joomla 多人整合系統與本研究自行研發之擴增實境系統其中擴增實

境系統以 actionscript30PHPHtml 等程式語言撰寫並將將內嵌於

Joomla 當中系統當中各子系統之細部運作方式將於後文詳述

4121 網路擴增實境系統運作方式

為使本研究之擴增實境系統可以在網路上以高擴充性之形式運作本

研究將以 actionscript30 撰寫 flash 程式使其可以在網頁瀏覽器直接

執行如圖 41-2當中 flash 以內建之函式 getCamara()取得本機之網

路攝影機之控制權後將連續取得之攝影機影像訊號附加於 video 類別

之中並以固定間格時間擷取攝影機所拍攝之畫面而後將畫面資訊傳送

給 flartoolkit 函式庫之實體進行判讀處理

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

48

圖 41-2 AR 畫面運作過程

Flartoolkit 接收到現場畫面後如圖將針對畫面資料進行下列處

理(一)影像簡化為使畫面資料複雜度有效降低flartoolkit 將接收到

之畫面做灰階處理而後進行黑白二值化將畫面資料以 0和 1表示藉

以提高程式效能 (二)判斷畫面當中含有光學辨識標記的區域程式將

於畫面中偵測邊緣並搜尋所有四邊型若四邊型中具有系統中已設定之

marker則程式往下進行 (三)計算標計的縮放大小與傾斜角度影像處

理函式根據畫面資訊計算光學辨識標記與攝影機的距離旋轉角度以及傾

斜角度等資訊(四)於系統中找出與辯識標記相對應之模型確認畫面當中

出現的 marker 後flartoolkit 將呼叫系統當中與辨識標記相搭配之顯示

ThisgetCamera()

Video 類別

flartoolkit

繪圖模組

輸出至顯示器

FLASH 取得攝影機控制權

影像串流附加於 Video 類別

bitmapData 類別

轉換為圖片格式

進行判讀

傳送描繪顯示物件所需相關資訊

與虛擬物件畫面進行疊合

與攝影機畫面進行疊合

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

49

模型資料準備進行繪圖動作(五)計算模型需呈現之大小傾斜角度與

位置並繪製之為使 model 和 marker 可以在畫面上互相整合達到現實

世界與虛擬物件互動之需求系統在計算完 marker 相關座標資訊後將

其傳送給指定之物件描繪函式庫欲描繪之模型便根據相關資訊進行尺

寸角度等進行調整(六)與攝影機擷取畫面互相疊合描繪之結果輸出

後以相同畫面大小套疊於原攝影機擷取畫面上便形成一完整之擴增實境

畫面因系統連續重覆執行此流程使用者因此有虛擬物件連續存在於現

實世界的感覺

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 封面01
• 論文_修

50

圖 41-3 FLARTOOLKIT 運作過程

Flartoolkit 在確認辨識標記於現場空間的相關資訊後則呼叫物件

描繪函式庫進行模型繪製本研究採用 papervision(PV3d)進行功能開發

其在 flash 當中三維顯示功能完善當中考量教學者上傳之顯示模型可能

有多種型態如靜態圖片三維立體模型等等故特開發模型種類辯識模

組並且對於不同型別之顯示物件撰寫其顯示方法如圖 41-4其中三

影像簡化

判斷畫面當中

是否含有光學

辨識標記區域

計算標計的縮放

大小與傾斜角度

於系統中找出與

辯識標記相對應

之模型

計算模型需呈現

之大小傾斜角

度與位置

與攝影機擷取畫

面互相疊合

是

否

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

51

維立體模型因各家製作軟體標準之差異顯示比例也不盡相同若無處

理可能會在使用 AR 系統時模型過小無法辨認或是過大超出可顯示

範圍之狀況故需另外開放顯示比例之參數讓使用者上傳物件時能彈性

調整

圖 41-4 顯示物件類型判斷

顯示物件是

否為平面圖

型

根據平面圖型之特

性轉換為立體空間

中之輸出方式

顯示物件是

否為三維模

型

解析三維模型之顯

示比例

顯示物件為

無法判斷之類型顯示系統預設之圖型

自 flartoolkit 接收

欲顯示物件之資訊

依照三維模型描述

方式進行繪圖

是

是

否

否

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

52

為使本系統要達到物件編輯之開放性 本研究開發一 XML 解析模組

讓 flartoolkit 根據 xml 格式之檔案解析其內容後動態尋找所需之

marker 與顯示物件前文所提及模型之顯示比例參數以及顯示物件種類等

相關問題也一併入此模組功能中

4122 線上物件系統運作方式

本線上系統對 AR 系統當中所需之物件(光學辨識標計以及顯示模型)

採資料庫之方式統一管理如圖 41-5管理者可以自瀏覽器頁面當中選

則所需之本機檔案經由 php 程式碼處理上傳至伺服器當中並且新增

記錄至對應之資料庫當中

圖 41-5 物件上傳流程

光學辨識標

計上傳頁面

顯示模型上

傳頁面

php 程式處理

辨識標記資

料庫

php 程式處理 模型資料庫

相關資訊寫

入資料庫

相關資訊寫

入資料庫

物件檔案伺服器

上傳

上傳

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

53

為使教學者能夠有一簡單的物件編輯環境本研究於第三章規劃一簡

單使用之介面旨在讓教學者能夠直觀的針對 marker 以及 model 進行搭

配系統中擬以 Jquery 程式庫進行撰寫其為一功能完善之 javascript

framework其高相容性使網頁程式不需因網頁瀏覽器不同而分別撰寫多

個版本如圖 41-6 所示系統利用 php 將光學辨識標記與顯示模型之資

訊於資料庫中取出當中包含相關檔案路徑顯示物件種類等等經解析

後即時以圖型化清單顯示於頁面當中jquery 便針對圖標附加程式使教

學者可以滑鼠直接拖曳圖型標示至配對區當中其監聽函式接收到 icon

資訊後經處理轉換為 xml 格式而後傳送給 php 於伺服器中建立配對檔

案做為 AR 系統下載所需物件以及處理顯示物件規則之依據

圖 41-6 線上物件系統處理流程

Jquery php

Marker

Model

解析物件資

訊轉換為

網頁格式

對網頁上的

markermodel

圖標附加程式

配對區接收物

件資訊

根據編輯結果

轉換 xml 格式 儲存檔案於伺

服器

Xml 檔案

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

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• 論文_修

54

4123 多人 AR 系統

為使本系統增加多人同時連線功能本研究擬使用點對點傳輸技術搭

配 AR 系統使用者藉瀏覽器頁面自系統主機下載具連線功能之 flash 擴

增實境程式後於程式當中輸入 id如圖圖 41-7系統便利用

netConnection 實體向以 rtmfp 為協定格式的 adobe stratus 主機發出

連線要求如主機傳回成功訊息使用者電腦便可通過 nearID 屬性獲

得長度為 256 位元的唯一端點識別碼(peerID)此 ID 便是遠端使用者與

本機電腦連線之依據兩端使用者經過申請識別碼程序當中利用

Netstream 實體之 publish 函式發佈資料串流並於串流當中加入影像

聲音文字訊息等資料形式遠端使用者則使用 play 函式訂閱串流如

此便成功建立點對點連線兩端互相建立此連線手續後便可以無需經過

伺服器直接傳輸資料

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

55

圖 41-7 使用者連線過程

當中串流內容利用 send 函式發送如圖 41-8影音資料依照固定間

格時間送出文字訊息則是使用者輸入欲傳送之字串後按下發送按鈕後

送出接收到遠端之網路串流後其中聲音資料經本機電腦擴音器播出

文字訊息則顯示於頁面中訊息區域影像資料則連續顯示於對方畫面區塊

中如此一來便完成線上多人擴增實境之功能

Adobe Stratus

伺服器

申請 peerID 申請 peerID

取得 peerID 取得 peerID

使用者 A 使用者 B

發佈網路串流

發佈網路串流

netStream

publish()

netStream

publish()

netStream

play()

netStream

play()

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

56

4124 Joomla 運作方式

本研究利用自由軟體 Joomla 做為系統平台其為一可擴充具物件導

向且易於使用的動態網站內容管理系統如圖 41-7joomla 提供高自由

度之設定功能其中線上物件系統單一模型多重模型網路擴增實境系

統以及多人同步擴增實境系統皆以內容頁面形式嵌入於內Joomla 本身已

具備基本會員等級之管理功能所有子系統在進行嵌入動作時便可依照本

研究之規劃個別設定其存取權限如圖 41-8 所示同時也能針對登入

的身份不同提供不同的功能區塊選單輸出於網頁瀏覽器之頁面中如

圖 41-9鑑於本研究之多人同步擴增實境系統當中使用者之間需要傳

送彼此在當次使用時所申請之唯一用戶識別碼本研究特安裝加強型會

員管理模組以及站內訊息傳送模組使本研究建置之系統可以讓使用者

經過相互認證程序後利用站內訊息功能傳送 ID藉以達到連線之功能

圖 41-7 Joomla 功能設定

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

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圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

57

圖 41-8 Joomla 文章管理頁面

圖 41-9 Joomla 選單管理頁面

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

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傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

58

42 開發時遇到的困難

421 遠端使用者接收 AR 畫面

為使遠端使用者可以接收本機電腦的 AR 畫面本研究原計畫將原始

未經虛擬物件疊合的攝影機畫面直接傳送至遠端後再由遠端電腦中的

flartoolkit 函式庫判讀後才與虛擬物件疊合但經測試效果不盡理想

系統整體使用速度無法滿足需求經測試後發現在使用多人 AR 系統時

cpu 使用程度明顯升高其可能原因為(一)本研究使用 flash 為主的

flartoolkit 函式庫其本身為一完全使用 cpu 運算之程式語言不若以

CC++語言為基礎的 ARtoolkit可以藉由程式撰寫技巧讓畫面當中的運

算藉顯示卡從旁分攤運算負擔(二)如圖 42-1 所示從遠端接收到對方使

用者的攝影機畫面後本機電腦不儘需要針對自身的攝影機畫面進行擴增

實境畫面的套疊處理也需再對經 P2P 連線接收到的畫面運算如此一來

系統須要同時負擔兩個畫面的擴增實境的畫面套疊相關處理(三)攝影機

畫面送出時是以未經壓縮之 bitmap 格式編碼不僅傳輸資料量大所

佔記憶體也較多故本研究為解決此一問題研究者嘗試修正程式流程

如圖 4-2-X使用者之電腦在完成本機用戶的擴增實境畫面疊合運算後

直接經過壓縮成為 jpeg 格式編碼進行傳送程序經改寫原流程後整

體使用速度與 cpu 負荷皆有大幅度改進

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

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441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

59

圖 42-1 原始多人 AR 連線架構

圖 42-2 修正後之多人 AR 連線架構

421 系統效能

在使用本研究開發的 AR 系統時研究者發現使用三維模型做為顯示

物件時CPU 使用程度會大幅提高造成使用效率低落整體速度也因為

本機畫面

之 AR 處理 本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

jpeg 編碼

jpeg 編碼

本機畫面

之 AR 處理

遠端畫面

之 AR 處理

遠端面之

AR 處理

本機畫面

之 AR 處理

使用者 A 使用者 B

本機 AR 畫面 遠端 AR 畫面 遠端 AR 畫面 本機 AR 畫面

bitmap 編碼 bitmap編碼

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

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圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

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圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

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45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

60

拖慢研究者研判可能原因可能為 FLASH 本身仍為一個以二維描繪技術為

主之平台解析與繪製三維模型時需要經過極多的運算耗去大量系統資

源承如前文所提CPU 完全負擔所有的計算工作並無法借助顯示卡分

攤負荷故為使系統能有效降低運算負擔 本研究擬開發一效能控制模

組使其降低畫面描繪數量藉以減低 cpu 使用率如圖 42-3 所示模

組內以一計數器做為判斷是否進行畫面運算之依據若符合條件才進行

繪製畫面動作經測試後單位時間減低畫面繪製張數可以大幅降低 cpu

使用率同時也能兼顧使用上之流暢程度

圖 42-3 效能控制模組

Couonter

set==0 Render() Counter++

Counter++

Countergt30 Counter=0

yes

yes

no

no

loadingCheck()

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

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第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

61

43 運作模式探究

過去的擴增實境系統研究當中大多是封閉式的系統架構教學者針

對自身之專業領域進行剖析後針對其相關之顯示模型進行製作當中部

份研究也針對光學辨識標記進行特定圖形製作但不論是 marker 或

model皆需要在系統程式碼撰寫完成後一同編譯方可使用研究可能

需具備一定的程式設計能力才能自行撰寫相關程式碼也因如此過往

研究所建構之系統多無法有效重覆利用其他教學者無法單以重新製作所

需物件做為系統轉移之手段無形當中增加了利用擴增實境於教學當中之

困難度也同時也無法加深擴增實境概念於一般大眾心中之印象再者

以往關於擴增實境系統之製作大多利用 CC++語言之 Artoolkit 進行之

因其程式語言之特性使得絕大部份之 AR 系統無法於網際網路上使用

當中系統之使用大多因設備之限制需要在同一場域內方能順利執行系

統若是想要在其他場地進行相同內容之 AR 展示也可能因設定相關程

式過程繁瑣提高其安裝困難度如此可能導致擴增實境系統之散發不

易使用者無法在他地進行擴增實境學習與展示如此一來使用者欲進

行遠端同步 AR 教學之可行性便有其困難

為解決上述之問題本研究針對所建置之線上多人擴增實境系統以及

傳統擴增實境系統做一特性比較如表 43-1研究者建置一網路化

自由化以及多人化之擴增實境系統藉以解決原有系統架構之不便

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

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exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

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area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

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reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

62

傳統擴增實境系統 多人線上擴增實境系統

Maker 與 model 配對 一次性編輯與程式同

時編譯無法更動

開放性之直覺動態編輯

物件管理 使用前與系統程式一

同編譯無法更動

光學辨識標記與顯示

模型

線上開放式編輯環境

可動態更改

網際網路上使用 程式撰寫困難 可

多人連線同時使用 困難 雙方經系統認證後連線

表 43-1 傳統擴增實境系統與多人線上擴增實境系統之比較

44 系統展示

本研究根據現今 AR 系統之特性經分析探究後找出可改進之處

並經過系統架構規劃嘗試建置一多人線上擴增實境系統當中改善以往

AR 系統物件編輯不易之缺點使 AR 系統當中所需的光學辨識標記以及顯

示模型利用 serverclient 架構對其作高效率之開放性編輯與管理

使用者便可依照教學者之安排與規劃沉浸於特定教學內容之擴增實境環

境同時更開發多人同時連線功能使得使用者可以在兩地同時利用擴增

實境系統進行互動本章節將針對各個新功能之目的與使用方式進行詳細

說明

依照本研究所規劃在線上多人擴增實境系統之建置當中乃是架構

於多人整合系統之上使用者可以利用任何一台可以使用網際網路之個人

電腦如圖 44-1利用網頁瀏覽器輸入特定網址後使用本系統如

圖 44-2使用者需經過註冊手續其後經過系管理者之核准方成為本

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

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為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

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華人電腦教育應用大會(GCCCE)

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設計研究所碩士論文未出版台南市

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80

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取自

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339-345

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ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

63

系統之註冊使用者其中系統將利用登入驗證程序辨別使用者之身份

並根據其提供不同之系統內容

圖 44-1 系統頁面展示

圖 44-2 會員註冊頁面

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

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• 封面01
• 論文_修

64

441 線上物件系統使用方式

經過系統登入認證手續後具有教學者或管理者權限之使用者便可使

用本系統如圖 44-3 所示線上物件系統當中分別含有光學辨識標記上

傳顯示模型上傳以及 modelmarker 配對編輯頁面其中 markermodel

編輯則是依照單人單一物件 AR 系統單人多重物件 AR 系統以及線上多人

AR 系統分別獨立出之頁面

圖 44-3 線上物件系統功能選單

其中具有管理者權限之使用者方得使用光學辨識標記以及模型上傳

之功能如圖 44-4 所示使用者根據事先編輯好的光學辯識標記分別

以 pat 檔格式以及一般圖檔格式上傳其 pat 格式將提供 AR 系統解析畫

面中之 marker 資料使用圖檔格式則在線上物件系統做為縮圖供教學

者使用其中存取權限一欄則可針對其物件為單人 AR 系統或是多人 AR 系

統所用進行設定而模型上傳頁面則如圖 44-5 所示當中可針對顯示

物件之類型進行選擇而三維模型之顯示比例亦可在此進行設定其中所

有選項設定完成後系統會回傳上之結果並且將相關檔案上傳於伺服器

當中並且針對相關屬性寫入資料庫中以完成整體上傳流程

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

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52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

65

圖 44-4 光學辨識標記上傳頁面

圖 44-5 模型上傳頁面

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

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In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

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Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

66

物件編輯頁面提供教學者一直覺而且方便的方式進行擴增實境系統

之編輯其中單人多重物件 AR 系統以及線上多人 AR 系統之編輯頁面如圖

44-6 所示系統自動從資料庫與伺服器中下載符合權限之光學辨識標記

以及顯示模型如圖 44-4 所示marker 以及 model 分別排列於畫面左右

畫面下方則為系統規劃之配對區使用者只需依序拖拉上方之圖樣至配對

區之指定區域中便可完成編輯系統會自動擷取目標物件之相關屬性

經使用者下達輸出指令後自動生成配對檔案以供擴增實境系統使用

圖 44-6 物件編輯頁面

而單人單一物件擴增實境系統之物件編輯系統則如圖 44-7當中教

學者同樣可以利用滑鼠之拖曳動作針對一組的 marker 以及 model 進行

搭配系統在接收到使用者之送出指令後即輸出配對檔案至伺服器中供單

人單一物件 AR 系統使用

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

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• 封面01
• 論文_修

67

圖 44-7 物件編輯頁面

442 單一模型多重模型網路擴增實境系統

如圖圖 44-8 與圖 44-9使用者在進入本系統後點選畫面左方單

人 AR 系統之區塊即可進入單人單一物件擴增實境系統以及單人多重物件

擴增實境系統當中教學者可事先個別對兩系統進行物件編輯系統於執

行時便可依據各自之配對檔案動態下載所需之光學辨識標記以及顯示物

件

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

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論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

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exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

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(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

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Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

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83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

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Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

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Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

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Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

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Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

68

圖 44-8 單人單一物件 AR 系統

圖 44-9 單人多重物件 AR 系統

443 多人同步擴增實境系統

本研究所建置之多人同步擴增實境系統可以讓兩個不同使用者在兩

端同時同步進行擴增實境系統功能之使用其中利用 serverclient 技術

進行光學辨識標記與顯示模型之物件管理以點對點傳輸技術進行影音以

及文字資料傳輸如圖 44-10使用者在進行連線程序之前需要先利用

站內之好友功能與另一使用者相互認證待雙方彼此經過認證手續後方

可使用多人同步 AR 系統

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

stratus 伺服器申請之 peerID方可進行連線手續此時便可利用站內訊

息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

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設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

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學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

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339-345

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ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

69

圖 44-10 站內好友功能

如圖 44-11在多人線上 AR 系統當中使用者仍需得知對方當時向

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息功能進行傳達之工作雙方需相互認證為好友方能使用其傳訊功能如

圖 44-12 所示

圖 44-11 線上多人 AR 系統畫面

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

70

圖 44-12 站內訊息畫面

使用者在得知對方對方當次使用線上多人 AR 系統之 唯一識別碼後

便可進行連線其中於呼叫欄位輸入對方之 peerID 後按下呼叫按鈕對

方即可收到欲連線之要求同時系統自動啟動攝影機與麥克風開始進行

同步擴增實境之連線如圖 44-13 所示使用者於操弄光學標記之同時

不僅可以於顯示器當中看見自身之 AR 畫面更可以看到對方之擴增實境

畫面同時透過麥克風進行語音交談也可以於訊息欄內輸入文字訊息

達到即時線上多重管道之擴增實境互動

圖 44-13 站內訊息畫面

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

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Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

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golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

71

45 系統評估

本研究經過系統之建置後將透過評估之方式以檢視是否達成預期之

目標其以系統分析設計前的目標來判斷是否滿需求於第三章當中本

研究曾提出四項標準藉以做為本研究所規劃系統之目標其分別為可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統單人使用多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統以及多人同時連線

的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統本研究將分別對評估環境

測試過程以及評估結果進行探究

451 評估環境

為使本研究建置之系統能有一全面性之效益考量本研究採用之評估

環境如下

甲 CPU Intel Atom N270其處理時脈為 16GHz

乙 記憶體2Gmb

丙 作業系統Microsoft Windows XP Home Edition

丁 網路環境35G(HSDPA)無線網路

戊 網頁瀏覽器firefox 36

452 測試過程

本研究利用上述之測試環境進行系統評估評估者利用 35G 無線網路技

術經由 firefox 網頁瀏覽器連線至系統伺服器以下將利用不同使用者

之存取權限進行系統功能之探討

1 線上物件系統使用者以管理者身份登入系統後便可進行物件上傳動

作測試過程當中評估者反覆進行光學辨識標計以及顯示物件之上傳程

序系統皆能正確且即時接收上傳之資訊以及檔案而教學者身份之使

用者也可以在登入後進行 marker 與 model 之物件配對管理系統擷取

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

72

現今伺服器中的物件內容速度亦非常即時使用者於瀏覽器中拖曳物件

進行配對相關動作時其畫面繪製以及配對檔輸出速度皆能符合評估者

需求

2 單人擴增實境系統在網頁瀏覽器當中經過與伺服器連線即時下載

flash 程式物件配對檔以及所對應的光學辨識標記與顯示模型後使

用者便可進行單人 AR 系統之使用當中單人單一物件 AR 系統因其所需

物件數量較少其能夠快速的於螢幕當中看見教學者事先指定顯示物件

之 AR 畫面而多重物件 AR 系統在進入系統頁面後經過短暫之讀取與

下載時間也能無障礙的使用

3 多人同步擴增實境系統欲使用多人 AR系統使用者需經過註冊之手

續且需經過雙方相互認證方能進行線上 AR 系統之使用進入系統

頁面後使用者便可利用系統提供之站內訊息功能傳遞 peerID 給遠

端使用者其後雙方便可進行 P2P 線上擴增實境系統連線本研究使用

兩套上述之評估環境配備之電腦系統進行測試在連線過程當中使用

者不僅能夠即時且無延遲的進行語音交談同時雙方的 AR 畫面繪製也

有流暢的表現使用者於現場操弄光學辨識標記時系統皆能快速的繪

製虛擬物件並合成於畫面當中

453 評估結果

經過上述之測試流程本研究整理出以下評估結果其中分別針對可

供編輯的擴增實境系統環境單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系

統以及多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統三個系

統目標進行評估結果分析

1 可供編輯的擴增實境系統環境本研究利用網路之特性使用 PHP 語言

搭配 Mysql 資料庫之伺服器架構輔以 Jquery 函式庫撰寫出一搭配

擴增實境系統使用的線上物件系統其中 AR 系統當中所需之光學辨識

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

73

標記以及顯示模型利用本研究開發之技術使其可無需內嵌於程式裡

並且可儲存於伺服器當中方便管理者與教學者做一有效之妥善安排

擴增實境系統中顯示之物件與辨識標記之搭配更可於網頁瀏覽器中

以直覺且方便的圖型化介面進行編輯教學者不需具備資訊專業背景

便可針對特定教學進程與內容進行擴增實境系統中物件之搭配

2 單人使用單一標記與模型的網路擴增實境系統有別於傳統單機之單人

擴增實境系統本研究開發之單人單一物件 AR 系統利用 ActionScript

30 撰寫因著 flash 有超過百分之九十以上的安裝率加上其檔案容

量小之特性使用者不需再針對 AR 系統進行額外的繁瑣安裝手續只

需利用網頁瀏覽器便可輕易且快速的使用本系統單人使用多個辨識

標記與模型的網路擴增實境系統綜合前系統之特性本研究所開發之

單人多重物件 AR 系統搭配線上物件系統之動態編輯效果使得擴增實

境系統之應用廣汎度大大增加多重的光學辨識標記與顯示物件之搭

配讓使用者在操作網路 AR 系統時能夠感受到更豐富的內容同時

也提供教學者一自由度更高之網路教學平台經過使用效能最佳化讓

使用者能夠以滿足感官需求卻又不失流暢性的速度使用本系統

3 多人同時連線的多個辨識標記與模型的網路擴增實境系統為使擴增實

境系統可以跨越地域之限制達到與遠端互動之功能本研究開發一線

上多人擴增實境系統使用者透過網際網路便可與遠端另一使用者同時

使用 AR 系統除了彼此同步其擴增實境之連續畫面外當中更可透過

語音以及文字訊息同時針對 AR 內容進行多種型式之討論達到協同

式擴增實境之功能另兩端點間的資料傳送則仰賴點對點傳輸技術無

需中途再經過其他伺服器如此便可減低許多影響傳輸速度之因素確

保使用品質利用此系統教學者便可高度掌握自身之教學內容同時

提升遠距擴增實境教學之可能性

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

74

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

75

第五章 結論與建議 51 結論

本研究之研究結論如下

1 本研究使多人整合系統與擴增實境系統做一結合成為一線上多人擴增

實境系統當中多人整合系統採用 Joomla 建置擴增實境系統則由

php MySql以及 ActionScript30 建構而成使用者藉本系統便可

利用網頁瀏覽器感受現實世界與虛擬物件相疊合之擴增實境功能不僅

可以線上使用單人 AR 系統更可多人同步使用使用者不僅可以觀看

到遠端使用者操弄光學辨標計之 AR 畫面更可同時利用聲音以及文字

訊息進行交談與討論藉以達成一遠端合作式擴增實境概念教學者亦

可利用此系統進行線上之物件管理當中包括光學辨識標記和顯示模型

之管理以及 AR 系統使用時物件之相關搭配之編輯

2 本研究採用 clientserver 網路做為系統之基本架構AR 系統中之物

件皆儲存在資料庫中方便管理當中線上多人擴增實境系統則利用

stratus 網路點對點傳輸技術進行直接的影音資料傳輸同時也針對

效能問題進行有效之解決

3 根據文獻探討本研究發現利用擴增實境功能輔助於教學應用上應有

顯 著 之 功 效 ( 卓 詠 欽 王 健 華 2008 蘇 俊 欽 2002

SheltonampHedley2002) 其不僅增加學習時的新鮮感並且提高學生

與課程之間的互動程度另為使 AR 技術得以有效發揮應使「網路」

「資料庫」「擴增實境」三者做一緊密整合使本研究所建置之擴增

實境系統擁有「網路化」「開放化」「多人化」之特性

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

76

52 系統修正建議

根據前文之系統評估研究者認為本研究所建置之線上多人擴增實

境系統雖然突破以往研究之種種限制但仍然有值得改進與修正之處

1 使用流程可以更完整本系統並無針對光學辨識模型以及顯示模型開

發物件之製作功能以 marker 為例教學者依照目前本研究之系統規

劃仍需倚賴其他軟體分別製做 pat 檔以及顯示用圖檔如果將此功

能一同納入設計功能便使整個系統變的更完整教學者只要使用本系

統便能不借助外力全程在本系統內編輯便可

2 本系統以突破以往之技術限制以點對點連線技術實作線上多人同步之

AR 系統使用者可以即時接收遠端所傳來之 AR 畫面未來將可針對主

題性之系統規劃進行後續建置以模擬一般教學者上課之情形如此一

來本系統之可用性便隨之提高教學者可同時和多名學生同時使用擴

增實境系統形成一多人線上 AR 教室之概念

3 本系統在使用多人連線時需要透過 joomla 傳送當次申請之唯一識別

碼過程稍嫌繁複若是可以利用程式撰寫技巧讓使用者在登入系統

後系統直接將唯一識別碼儲存進資料庫中則使用者便可以點選的方

式直接與對方連線此舉不但簡化使用流程令使用者不需手動輸入

遠端使用者之 peerID即能更有效率達成線上多人 AR 之功能

53 後續研究建議

本研究經過文獻探討後建置出線上擴增實境系統後發現能有改進之

空間以下提出建議做為日後研究之參考

1 本研究針對擴增實境於教育上之效益做為系統建置之主要方向未來

可以拓展線上擴增實境系統之應用面向線上遊戲商業展示hellip等等

2 因開發平台之特性本系統所使用之設備為一般個人電腦研究者建議

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

77

可以探討線上多人擴增實境系統之於其他平台的可能性例如平板電

腦掌上型移動設備等等

3 未來關於線上多人擴增實境系統的相關研究建議可以對其進行實驗以

及統計以便了解使用者在系統滿意度上之確認

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

78

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

79

參考資料 一中文文獻

SRoach（2009）手機也能玩 AR 擴充實境Digitalhome12382-89

王燕超（2006）從擴增實境觀點論數位學習之創新空中教學論叢20

40-63

白益欣（2005） 運用擴增實境於多人互動情境之研究mdash以遊戲式學習

為例元智大學資訊傳播學系碩士論文未出版桃園縣

李孟軒（2006）擴增實境科技結合互動式數位典藏展示介面設計之研究

崑山科技大學視覺傳達設計研究所碩士論文未出版台南縣

李國有（2001）網路多人虛擬環境階層式適應性與平衡性機制法國立

成功大學資訊工程研究所碩士論文未出版台南市

李婉芬（2006）九年一貫課程自然與生活科技領域運用電腦輔助空間概

念教學之應用－以磁場為例國立新竹教育大學應用科學系碩士

論文未出版新竹市

李芳甄（2001）虛擬攝影棚在台灣電視節目製作之發展與應用國立臺

灣師範大學圖文傳播學系碩士論文未出版台北市

沈揚庭（2005）行動地誌國立成功大學建築研究所碩士論文未出版

台南市

卓詠欽王健華（2008）擴增實境(Augmented Reality)應用於台灣教

育之初探研究以國小自然與生活科技教育為例第十二屆全球

華人電腦教育應用大會(GCCCE)

莊順凱（2005）以概念圖法建構擴增實境教育系統國立成功大學工業

設計研究所碩士論文未出版台南市

陳九懿（2009）擴增實境應用於聲音互動國立東華大學科技藝術研究

所碩士論文未出版花蓮縣

80

葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

area sentient environment ISMAR lsquo01 77-86

Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

virtual environments In Barfield W amp Caudell T(1st ed)

Fundamentals of wearable computers and augmented

reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

Sheridan T B (1992) Musing on Telepresence and Virtual Presence

Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

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葉亭佳（2008）2007 年 12 月底止台灣上網人口Find20080611

取自

httpwwwfindorgtwfindhomeaspxpage=manyampid=193

蘇俊欽（2004）擴增實境應用於中文注音符號學習之研究國立成功大

學工業設計研究所碩士論文未出版台南市

81

二英文文獻

Azuma R (1997) A survey of augmented reality Teleoperators and Virtual

Environments 6(4) 355-385

Billinghurst M Belcher D Gupta A amp Kiyokawa K (2003)

Communication behaviors in colocated collaborative AR interfaces

Computer Interaction 16(3) 395-423

Billinghurst M Green A Chen X amp Chase G(2008) Human-robot

collaboration A literature review and augmented reality approach in

design International Journal of Advanced Robotic Systems 5(1)

1-18

Billinghurst M Kato H (2002) Collaborative augmented reality

Communications of The ACM 45(7) 64-70

Burdea G C amp Coiffet P (2003) Virtual reality technology (2nd ed) New

Brunswick NJ John Wiley amp Sons Inc

Feiner S MacIntyre B Houmlllerer T amp Webster T(1997October) A touring

machine Prototyping 3D mobile augmented reality systems for

exploringthe urban environment ISWC rsquo97 Cambridge MA

Gigante M A(1993) Virtual Reality Definitions History and Applications

In Earnshaw R A et al (Ed) Virtual Reality Systems (pp 3-14)

London Academic Press

Govil A You S amp Neumann U (2000) A video-based augmented reality

golf simulator ACM Multimedia 2000 489-490

Kanbara M Fujii H Takemura H amp Yokoya N(2000) A stereo

vision-based augmented reality system with an inertial sensor

ISAR rsquo00 97- 100

82

Kato H amp Billinghurst M(1999) Marker tracking and HMD calibration for a

video-based augmented reality conferencing system IWAR lsquo99

85-94

Kaufmann H (2006) The potential of augmented reality in dynamic geometry

education 12th International Conference On Geometry and Graphics

(ISGG) 6-10

Kaufmann H amp Schmalstieg D(2003) Mathematics and geometry education

with collaborative augmented reality Computers amp Graphics 27

339-345

Kobayashi H amp Kondo T (2005) Augmented instructions a fusion of

augmented reality and printed learning materials the Fifth IEEE

International Conference on Advanced Learning Technologies

213-215

Latta J N(1991)When will reality meet the marketplace In MBooks

(Ed)Virtual Realityrsquo91The Second Annual Conference(pp109

-141)San Francisco University of San Francisco

Milgram P Takemura H Utsumi A Kishino F (1994) Augmented reality

A class of displays on the reality-virtuality continuum

Telemanipulator and Telepresence Technologies SPIE 2351

282-292

Newman J Ingram D amp Hopper A (2001) Augmented reality in a wide

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Rolland J P Davis L Baillot Y(2001) A survey of tracking technology for

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reality(pp67-112) Mahwah NJ CRC

83

Shelton B amp Hedley N (2002September) Using augmented reality for

teaching earth-sun relationships to undergraduate geography

students IEEE International Augmented Reality Toolkit Workship

Darmstadt Germany

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Teleoperators and Virtual Environments 1(1) 120ndash126

Silva R Giraldi G amp Oliveira J C (2003) Introduction to augmented

reality (Technical Report 252003) Brazil LNCC

Sutheland T B (1965) The ultimate display IFIP lsquo65 506-508

Vallino J R (1998) Interactive augmented reality Unpublished doctoral

dissertation University of Rochester New York

Szalavari Z Eckstein E amp Gervautz M(1998) Collaborative gaming in

augmented reality VRST rsquo98 TaipeiTaiwan

Woods E Billinghurst M Looser J Aldridge G Brown D Garrie B amp

Nelles C (2004) Augmenting the science centre and museum

experience Graphite 2004 230-236

Zhou F Duh H B L Billinghurst M (2008) Trends in augmented reality

tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修

81

二英文文獻

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tracking interaction and display A review of ten Years of ISMAR

ISMAR 2008 15-18

• 封面01
• 論文_修