東海大學資訊工程與科學系畢業專題成果 - 東海大學‧資訊工程學系

東 海 大 學 資 訊 工 程 與 科 學 系
畢 業 專 題 成 果
擴 增 實 境 的 應 用
專 題 實 驗 報 告 書
指 導 老 師 : 黃 育 仁 老 師
組
員 :963863 黃 向 志
963868 曾 梧 博
963870 余 衍 道
中 華 民 國 九 十 九 年 十 二 月 十 八 日
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目 錄
一 、 前 言 與 文 獻 回 顧 ………………………………………………………….……3
1.1 研 究 背 景 ……………………………………………………………….......3
1.2 研 究 目 的 ……………………………………………………………….…..4
1.3 研 究 架 構 ……………………………………………………………….….4
二 、 作 業 流 程 說 明 ………………….……………………………….…...............…4
2.1 前 置 作 業 …………………………………………………………………...4
2.2 設 定 AR 的 製 作 環 境 ……………………………………………….…..5
2.3 製 作 pattern…………………………………………………………………5
2.4 系 所 資 料 搜 尋 ……………………………………………………………….6
2.4.1 行 政 人 員 ………………………………………………………..6
2.4.2 ST338 數 位 創 新 應 用 互 動 空 間 ………………………………..6
2.4.3 PC 機 房 , 資 訊 電 機 實 驗 室 …………………………………….7
2.5 語 音 製 作 ……………………………………………………………………..7
三 、 方 法 ………………… ………………………………………………….………..7
四 、 實 驗 成 果 ………………………………………………………………….………7
五 、 結 論 ………………………………………………………………………….……9
六 、AR 未 來 可 能 發 展 ………………………………………………………………..10
七 、 參 考 文 獻 …………………………………………………………………….......10
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一 、 前 言 與 文 獻 回 顧
1.1 研 究 背 景
AR(augmented reality 擴 增 實 境 )
是 將 電 腦 的 資 訊 疊 合 到 現 實 世 界 , 讓 我 們 在 正 確 的 時 間 正 確 的 地 點 取 得 ( 感 官 的 )
正 確 資 訊
VR(Virtual reality 虛 擬 實 境 )
企 圖 取 代 真 實 世 界 , 以 往 通 常 就 是 在 電 腦 裡 面 製 作 產 生 一 個 虛 擬 的 環 境 , 將 資 訊
放 置 在 裡 面 , 而 操 作 者 可 以 藉 由 控 制 器 或 鍵 盤 在 這 個 虛 擬 的 環 境 下 穿 梭 或 互 動 ,
相 對 之 下 AR 則 是 在 現 實 中 擴 增 資 訊 。
擴 增 實 境 (Augmented Reality, 簡 稱 AR)
一 種 實 時 地 計 算 攝 影 機 影 像 的 位 置 及 角 度 並 加 上 相 應 圖 像 的 技 術 。 這 種 技 術 的 目
標 是 在 螢 幕 上 把 虛 擬 世 界 套 在 現 實 世 界 並 進 行 互 動 。 提 供 現 實 中 無 法 直 接 獲 知 的
訊 息 。 但 是 , 更 深 層 次 來 講 , 這 種 訊 息 實 際 上 又 讓 每 個 人 眼 中 的 世 界 更 加 多 樣 性 。
這 種 技 術 估 計 由 1990 年 提 出 。
擴 增 實 境 有 兩 種 通 用 的 定 義 :
一 、
(1) 將 虛 擬 物 與 現 實 結 合
(2) 實 時
(3) 三 維
二 、 現 實 - 虛 擬 連 續 統 。 他 們 將 真 實 環 境 和 虛 擬 環 境 分 別 作 為 連 續 統 的 兩 端 , 位
於 它 們 中 間 的 被 稱 為 「 混 合 實 境 」。 其 中 靠 近 真 實 環 境 的 是 擴 增 實 境 , 靠 近 虛 擬
環 境 的 則 是 擴 增 虛 境
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Artoolkit 的 介 紹
由 華 盛 頓 大 學 所 提 供 且 維 護 , 其 最 早 由 Hirokazu Kato 博 士 所 設 計 出 來 ,
之 後 華 盛 頓 大 學 的 人 機 互 動 介 面 科 技 實 驗 室 ( Human Interface Technology
Laboratory) 繼 續 發 展 與 維 護 。
( Human Interface Technology Laboratory,HIT Lab)
在 HIT Lab 中 有 介 紹 更 詳 細 的 ARToolKit 歷 史 與 發 展 ,
另 外 也 提 供 更 多 的 應 用 範 例 以 及 他 所 釋 出 的 最 新 檔 案 , 目 前 均 為 OpenSource,
目 前 最 新 為 ARToolKit2.72.1 (20101106)
目 前 支 援 Win , Mac , Linux
1.2 研 究 目 的
本 研 究 是 針 對 資 工 系 的 系 所 導 覽 , 簡 介 基 本 的 行 政 人 員 與 辦 公 室 助 理 , 希 望 對 一
開 始 新 進 的 學 生 作 簡 介 , 由 於 不 了 解 資 工 系 的 運 作 方 式 和 功 能 , 希 望 他 們 可 以 在
剛 進 來 或 者 想 了 解 資 工 系 的 學 生 或 家 長 , 可 以 馬 上 提 供 相 關 的 資 訊 跟 介 紹 , 有 助
於 不 熟 悉 系 上 網 頁 的 訪 客 , 進 一 步 了 解 助 理 的 工 作 內 容 , 以 及 辦 公 室 和 專 用 教 室
的 功 能 。
透 過 以 擴 增 實 境 的 互 動 , 與 擴 增 實 境 的 技 術 、 語 音 工 具 來 進 行 研 究
1.3 研 究 架 構
本 報 告 分 六 個 章 節 , 第 一 章 為 前 言 與 文 獻 回 顧 , 闡 述 AR 的 原 理 與 使 用 型 態 , 和
其 研 究 目 的 與 動 機 。 簡 單 介 紹 何 謂 AR, 如 何 來 實 作 , 如 此 有 趣 的 運 用 方 式 , 用
來 契 合 這 次 報 告 的 目 的 與 動 機 。 第 二 章 為 作 業 流 程 說 明 , 主 要 說 明 每 一 個 部 份 的
架 構 過 程 , 還 有 系 所 的 簡 介 的 內 容 , 第 三 章 為 方 法 , 主 要 介 紹 這 次 報 告 所 使 用 的
程 式 原 理 , 第 四 章 是 實 驗 成 果 , 呈 現 AR 可 以 做 到 的 最 大 限 度 跟 功 能 , 還 有 介 面 ,
第 五 章 是 討 論 , 對 於 此 次 的 實 驗 作 出 的 檢 討 , 第 六 章 為 參 考 文 獻 , 說 明 這 次 的 研
究 所 參 考 跟 閱 讀 的 資 料 出 處 。
二 、 作 業 流 程 說 明
2.1 前 置 作 業
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需 要 先 在 一 個 使 用 平 台 上 先 建 構 他 的 使 用 環 境 , 在 Windows 環 境 中 ,
DSViedoLib, 是 一 套 OpenGL 工 具 函 式 庫 , 分 為 Runtime 及 SDK 來 做 , 呈 現 方
式 分 (1)OpenGL 繪 圖 (2) 載 入 VRML 呈 現 , 我 們 選 擇 後 面 的 方 法 做 製 作 , 所 以
需 要 加 安 裝 OpenVRML,bin 資 料 夾 中 的 ,DsRenderer.ax,glut32,regsvr32, 丟
入 system32,DOS 環 境 下 執 行 ,C:\regsvr32 DsRenderer.ax, 並 且 確 定 視 訊 裝 置
Driver 有 安 裝 完 畢 , 可 正 常 運 作 。
2.2 設 定 AR 的 製 作 環 境
我 們 是 載 入 VRML 呈 現 , 所 以 找 到 內 建 的 檔 案 夾 object_data_vrml( 圖 1 ) 來 做 改
寫 , 可 以 設 定 載 入 多 少 個 patterns 跟 相 對 應 的 影 像 ,the number of patterns to be
recognized 6 是 設 定 要 系 統 辨 認 多 少 個 pattern, 要 把 指 定 的 3D 模 組 寫 入 並 且 指
定 在 第 幾 個 pattern 作 顯 示 。
( 圖 1 )
在 對 應 的 資 料 夾 中 找 到 3D 模 組 的 對 應 的 .dat 檔 ( 圖 2 ) 並 且 使 用 記 事 本 開 啟 來 做
改 寫 , 裡 面 可 以 做 位 移 ( Translation )、 旋 轉 ( Rotation )、 縮 放 ( Scale ) 的 調 整 , 來
顯 示 3D 模 組 。
( 圖 2 )
2.3 製 作 Pattern
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製 作 正 方 形 圖 案 , 線 條 加 粗 , 中 間 空 白 部 分 為 5*5 pixel, 並 且 利 用 任 意 旋 轉 都 不
會 使 圖 像 與 其 他 圖 示 重 複 的 製 圖 方 式 作 成 , 以 左 上 角 永 遠 有 一 白 格 , 右 下 角 有 一
格 的 方 式 來 製 程 一 張 pattern。
利 用 mk_patt.exe 實 作 一 個 pattern, 執 行 後 會 詢 問 相 機 的 參 數 檔 , 預 設 可 以 直 接
繼 續 , 此 時 會 開 啟 Webcam, 請 將 鏡 頭 對 準 自 己 的 pattern, 直 到 框 住 了 pattern
為 止 ( 圖 3 ), 框 住 之 後 可 以 用 滑 鼠 選 擇 正 確 的 pattern 並 且 命 名 。
2.4 系 所 資 料 搜 尋
每 個 系 都 有 自 己 的 一 套 系 統 , 而 行 政 人 員 往 往 是 讓 我 們 最 容 易 加 入 這 個 大 家 庭 的
一 個 重 要 的 角 色 , 所 以 我 們 收 集 他 們 的 個 人 行 政 內 的 工 作 , 加 入 這 個 系 統 , 來 讓
大 家 方 便 取 得 他 們 的 相 關 功 能 , 以 利 更 容 易 加 入 這 個 系 。 然 後 我 們 還 針 對 , 剛 進
入 的 學 生 可 能 較 會 用 到 的 教 室 作 簡 介 , 例 如 ST338 數 位 創 新 應 用 互 動 空 間 ,PC
機 房 作 介 紹 。
2.4.1 行 政 人 員
行 政 人 員 : 蒐 集 他 們 的 個 人 照 片 , 並 且 詢 問 他 們 的 個 人 工 作 方 面 負 責 的 部 分 ,
製 作 一 個 照 片 的 簡 介 。 然 後 設 置 個 人 的 姓 名 相 對 應 的 pattern( 圖 4 ), 然 後
( 圖 4 )
2.4.2 ST338 數 位 創 新 應 用 互 動 空 間
ST338 數 位 創 新 應 用 互 動 空 間 : 資 工 系 近 年 來 新 建 的 教 室 劃 為 跨 領 域 合 作 的
互 動 空 間 , 結 合 本 系 多 位 教 師 與 本 校 創 意 設 計 暨 藝 術 學 院 的 老 師 合 作 , 並 以
下 一 屆 招 生 分 組 為 出 發 點 打 造 。 我 們 針 對 他 可 以 提 供 的 功 能 作 簡 介 , 提 供 演
講 的 適 合 地 點 , 研 究 專 題 的 討 論 地 方 , 在 目 前 的 大 手 牽 小 手 的 概 念 上 作 簡 介 ,
讓 大 家 可 以 了 解 這 間 教 室 可 以 提 供 的 功 能 , 並 且 引 起 學 生 們 的 興 趣 。
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2.4.3 PC 機 房 , 資 訊 電 機 實 驗 室
PC 機 房 , 資 訊 電 機 實 驗 室 : 提 供 給 一 般 的 資 工 系 學 生 作 上 課 跟 研 究 的 地 點 ,
裡 面 有 五 十 台 左 右 的 電 腦 來 供 使 用 , 並 且 提 供 教 室 的 使 用 規 則 來 供 參 考 。
2.5 語 音 製 作
先 錄 製 相 對 於 每 個 介 紹 地 點 的 聲 音 檔 , 作 一 可 供 選 擇 對 於 相 對 應 的 地 點 的 一 個 選
單 來 作 錄 製 。( 圖 5 )
( 圖 5 )
三 、 方 法
在 PATTERN 經 過 MAKE_PATTERN 的 程 序 過 後 , 會 產 生 一 個 大 型 矩 陣 來 代 表 該
張 圖 的 代 碼 。 其 代 碼 會 記 錄 每 個 PIXEL 色 彩 的 亮 度 (0-255), 並 且 會 確 定 該 正 方
形 的 黑 框 與 白 色 部 分 比 例 一 定 , 才 會 讀 取 作 PATTERN。 之 後 再 確 定 該 PATTERN
具 有 方 向 性 , 才 能 使 最 終 結 果 的 模 組 不 出 錯 。
PATTERN 讀 到 以 後 , 便 會 導 入 與 其 PATTERN 相 關 的 模 組 或 , 以 及 對 應 模 組 的
方 向 性 , 大 小 , 位 置 , 貼 圖 。 都 導 入 後 , 並 確 定 電 腦 的 影 像 讀 取 裝 置 位 址 , 之
後 才 產 生 可 以 調 整 影 像 FRAME 大 小 跟 RATE 的 介 面 來 讓 使 用 者 操 作 。
當 使 用 者 的 影 像 讀 取 裝 置 照 到 與 成 是 對 應 的 PATTERN 時 便 會 依 據 設 定 來 產 生 其
相 關 的 應 用 。
四 、 實 驗 成 果
利 用 製 作 好 的 pattern, 開 啟 程 式 , 可 以 利 用 選 單 來 作 微 調 ( 圖 6 ), 改 變 輸 出 大 小 ,
畫 面 播 放 速 率 通 常 以 最 高 30 的 方 式 顯 示 , 以 得 到 最 好 的 效 果 ,
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( 圖 6 )
用 視 訊 裝 置 對 它 作 成 像 , 會 在 顯 示 的 視 窗 上 跑 出 那 個 pattern 的 附 加 資 料 , 並 且
以 3D 模 組 的 方 式 呈 現 , 一 個 程 式 可 以 同 時 掛 載 多 個 模 組 ( 圖 7 ), 並 且 同 時 做 輸
出 , 只 要 在 夠 的 空 間 下 ,
( 圖 7 )
現 在 整 合 語 音 導 覽 , 我 們 可 以 提 供 介 面 上 視 覺 的 感 官 跟 聲 音 的 介 紹 , 簡 而 易 懂 的
方 式 來 介 紹 自 己 的 系 所 ( 圖 8 ),
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( 圖 8 )
五 、 結 論
運 用 此 TOOL 能 做 出 的 VRML 檔 案 與 模 組 , 其 貼 圖 的 形 式 並 沒 有 很 多 元 , 無 法
作 出 立 體 式 的 或 環 繞 式 的 貼 圖 。 這 些 很 難 在 既 有 的 程 式 碼 上 做 直 接 的 改 變 , 可 能
要 讀 熟 VRML 最 新 的 模 組 格 式 並 套 入 程 式 才 能 實 現 。
另 外 就 是 模 組 時 間 軸 的 部 分 , 換 PATTERN 模 組 時 間 軸 就 立 即 重 置 , 如 果 要 應 用
到 導 覽 或 互 動 遊 戲 , 則 使 用 者 必 須 穩 定 的 讓 程 式 持 續 讀 取 到 該 PATTERN, 這 是
很 可 惜 的 地 方 , 也 是 不 容 易 修 改 的 部 分 。
此 外 , 程 式 會 在 一 開 始 導 入 所 有 的 PATTERN 跟 模 組 , 過 於 精 緻 的 模 組 , 其 記 憶
體 消 耗 也 就 越 高 , 當 一 個 程 式 導 入 過 多 的 PATTERN 跟 模 組 時 , 記 憶 體 就 會 不 夠
用 , 並 且 無 法 針 對 讀 到 PATTERN 再 導 入 該 模 組 至 程 式 , 無 法 立 即 更 換 。
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六 、AR 未 來 可 能 發 展
1. 與 實 際 環 境 互 動 式 的 發 展
1.PATTERN 用 常 見 的 商 標 取 代 甚 至 融 入 實 際 環 境
1. 虛 擬 硬 體 或 多 媒 體 裝 置
七 、 參 考 文 獻
1.Human Interface Technology Laboratory_ARToolKit
[1] A. Wexelblat, "The Reality of Cooperation: Virtual
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Reality and CSCW", Virtual Reality: Applications and
Explorations. Edited by A. Wexelblat. Boston, Academic
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Real-Time Constraints", Proceedings of ISMR '99, 1999, pp.325-346.
2.DKBLOG_ARToolKit 實 戰 / 教 學 ( 一 ) 建 構 篇 ( 二 )VRML 篇
3. 柯 翰 庭 (2010)。 輔 助 古 蹟 寺 廟 行 動 學 習 之 多 標 記 擴 增 實 境 遊 戲 的 的 互 動 模 式 研
究 。 大 同 大 學 工 業 設 計 研 究 所 碩 士 論 文
4. WikiLeaks
5.Java_How To Program_Eighth Edition_Paul Deitel&Harvey Deitel
Appendix H, Number Systems
Appendix I, GroupLayout
Appendix J, Java Desk Integration Components(JDIC)
Appendix K, Mashups
Appendix L, Unicode
Appendix M, Creating Documentation with javadoc
Appendix N, Bit Manipulation
Appendix O, Labeled break and continue Statements
Appendix P, UML 2 : Additional Diagram Types
Appendix Q, Design Patterns
6. 東 海 大 學 資 訊 工 程 學 系 系 網 站
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