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以「虛」補「實」,躍然紙外 — 工研院研發無圖標AR(擴增實境)自主技術

報導/江書賢

在生活中各種時刻,拿起智慧型手機把所見的人事景物拍攝下來,或者透過網路攝影機和朋友視訊通話,對於許多人來說已經是生活不可或缺的部分。在不知不覺間,我們常常是透過屏幕來觀察實體世界;另一方面,我們更是經常透過屏幕來瀏覽網路等資訊世界裡的訊息。既然兩者都常常透過同樣一種媒介和我們接觸,資訊和實體兩個世界愈來愈加緊密的結合,便是一個不讓人意外的趨勢。例如我們藉由掃描印在實體物品上的QR code,來讀取連結的資訊,或者是用手機拍了照片以後,使用Line等軟體把相片加上可愛的熊大與兔兔貼圖,像這些把來自資訊世界裡的文字或者影像,附加在來自真實世界的物件影像上的需求,將會更加普遍的成長。

擴增實境(Augmented Reality,AR)是將電腦、網路等資訊世界中的虛擬影像(尤其是3D影像),和實體世界中的物品互相結合,並且實現使用者與虛擬影像物件之間互動的技術。想像我們手拿一張圖片,在手機鏡頭或Web cam前面輕輕一晃,屏幕中所顯示的影像,除了出我們手拿著實體圖片以外,還憑空長出一些3D的虛擬物件,比如說飛碟或機器人,會追著我們手拿的圖片跑,甚至我們可能可以和這些虛擬3D影像進行互動,是不是很有趣呢?又或許是拿著某個商品的包裝盒,屏幕中的包裝盒上就會浮現出盒內商品的3D影像,比起印刷在平面上的包裝照片來說,能更增加消費者和包裝商品的接觸感。擴增實境的技術,想必在未來的物聯網中將會是一項商品銷售競爭上的利器。

既然要達成虛擬物件和真實物件兩者之間的連結,就必須讓電腦具備能從攝影機所拍攝到的影像中辨識出實體物件的能力。目前比較普遍的是利用QR code標示在實體物件上,但是如果要更普遍的廣泛應用在各種物品上,大家應該不會喜歡見到隨處可見的各種物品都印上死板的黑白方框圖像吧?如果電腦能夠直接辨認出物件上本身就具有的紋理特徵,就可以讓虛實物件之間的整合更加自然而不留痕跡,這就是無圖標AR技術所要達成的目標。

工研院南分院微系統中心視覺互動技術部的陳柏戎經理表示,先前無圖框AR的技術已在外國發展一段時間,技術由外國公司掌握,若是國內的廠商想要將無圖框AR的技術應用在商品上,必須支付很高昂的授權費用,所以目前國內很少廠商能利用這一種技術。工研院為了提供國內廠商的底層技術支援,因此著手進行無圖框AR的自主技術開發。

研發團隊目前的軟體技術開發成果,除了能達成不需要有特定邊框圖案的物件紋理特徵辨識與追蹤以外,更可以容許辨識目標物有超過30度的旋轉,並且容許辨識目標30%的遮蔽,因此電腦能夠更容易的成功辨識物件,不會因為在實用情境下,物品沒有正對著鏡頭,或著因為手拿著物件時不小心遮蔽到一部分的圖樣,就無法成功辨識物品。

相較於QR code 使用方形邊框與黑白圖樣等預先規定的特定圖樣模式來作標示,無圖框AR的技術目標是要能辨識更加自由多樣的圖案或紋理特徵,所以圖樣辨識的演算法必然會比QR code的辨識要複雜上很多,辨識的運算速度因此成為技術開發上的一大挑戰。研發團隊在開發演算法時,必須設計目標物件紋理的不同特徵部位的定義與擷取方式、權重分配,並且考慮辨識目標在各種不同的情境,如光線、旋轉角度、目標物和鏡頭間的距離時,能夠自動選用一組適合的特徵定義方式來進行辨識,才能使執行速度夠快,以符合即時性的要求。

除了目標物件特徵辨識的演算法以外,研發團隊進行的另一項技術開發重點是實體物件的辨識系統與虛擬物件的3D繪圖引擎的整合。目前市面上的3D繪圖引擎有許多不同的廠牌與版本,若國內的產品開發廠商想請國外公司提供無圖標AR技術的服務,經常會碰上兩家公司所使用的軟體不一致的情況,國外的技術廠商不一定會願意為小型的客戶處理軟體的相容性問題,因此會造成技術運用上的障礙。工研院作為促進本國創新科技的研發與技術支援單位,進行自主技術的開發,可以為國內的業者提供無圖標AR系統與其他軟體相容性問題的解決服務,作為國內產業底層技術的後盾,並且促成國內相關廠商的技術合作與整合。工研院所研發的系統目前是在PC平台上運作,現在正把開發目標朝向跨平台的技術延伸,如智慧型手機等行動裝置與嵌入式系統上。

擴增實境(AR)技術的概念已經被提出了十幾到二十年的時間,但是過去因為取像與顯示設備的體積、重量、成本等等硬體的限制,所以仍未充分發展,但是隨著近年來這些硬體設備的快速發展,甚至如Google Glass這些隨身的穿戴式系統也開始崛起,擴增實境的技術未來將有很大的應用空間與成長機會。或許在不久後的將來,人們就可以戴著擴增實境眼鏡上街,像許多科幻電影中機器人的視野一般,眼中所見許多物品旁邊都附帶著凌空的立體虛擬圖像或者文字資訊。

技術專頁:無圖標AR技術 

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