[營建知訊轉載] 擴增實境應用於營建業 指日可待 康仕仲 楊兆中 (2014.03)

將虛擬帶入實體世界

康仕仲 臺灣大學 土木工程學系副教授兼 工程資訊模擬與管理研究中心副主任
                楊兆中 臺灣大學 土木工程所研究生
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虛擬結合現實 三維場景

隨著遊戲產業的蓬勃發展，玩家對虛擬實境（Virtual Reality）的擬真程度要求越來越高，希望透過遊戲體驗而有身歷其境之感。然而，再怎麼擬真的遊戲場景仍比不上現實世界來的真實，而擴增實境（Augmented Reality，AR）技術即將虛擬帶入現實世界結合，讓人們能同時擁有與虛擬環境的互動體驗與所存在的真實場景。

擴增實境存在於真實環境與虛擬環境之間，並較接近於真實，技術上除了虛擬三維場景的需求外，常搭配可計算攝影機影像位址與角度之技術，或需仰賴於畫面中的輔助標記、陀螺儀等，目的即希望對應虛擬與真實環境之空間位置並結合兩者，而目前除了遊戲產業外，在汽車、居家商品甚至是營建業皆有研究與商品之推出。

擴增實境 各產業運用

許多人會質疑，擴增實境雖在實驗室裡發展很多年，但仍少有實際的應用。但因著最近相關技術的蓬勃發展，未來的幾年，擴增實境的應用很可能會大幅增加。原因有很多，例如行動運算裝置的普及，行動運算能力的增強，以及感測器的普及化與平價化等。在此分享筆者最近對擴增實境應用的觀察，以及對營建產業應用的反思。

1. 遊戲產業大量融入擴增實境

 首先舉遊戲產業的最近案例，2013 年 11 月由 Sony 公司最新推出的電視遊樂器 PlayStation 4（PS4）搭配具體感功能的PlayStation Camera，將擴增實境與互動帶入遊戲體驗中。在遊戲畫面裡，玩家除了看到自己的影像外，並同時與虛擬物件存在於空間中，加上體感裝置對於玩家位置與姿態的感測，更可與物件產生直接互動。「The PlayRoom」為一款支援擴增實境互動之遊戲，藉由偵測玩家臉孔、位置、手把姿態與四周環境，即可與該遊戲之虛擬角色Asobi 機器人互動，還可透過行動裝置創建三維物件。

2. 製造業也開始應用擴增實境

 除了遊戲產業外，汽車產業也開始使用擴增實境的技術，協助複雜的維修工作。德國知名汽車大廠 BMW 應用擴增實境與智慧護目鏡，協助車廠技師或車主診斷引擎狀況並指引拆卸。透過配備耳機的護目鏡，使用者除了能聆聽指示拆卸零件，並以聲控切換步驟外，更可搭配套疊於現實畫面之三維虛擬零件、工具與動作，以輔助使用者正確地完成指令。

3. 零售業也有家具組裝的案例

此外，家具零售業也開始借助擴增實境的技術。隨著智慧型行動裝置的普及，來自瑞典的家具大廠 IKEA 宜家家居開發一款應用 AR技術展示與商品型錄的 App－IKEA Catalog。該應用程式除了提供基本的產品型錄外，最吸引人的功能是能將所選之商品三維模型透過裝置螢幕，直接擺設於你家房間、客廳裡，並可隨意調整擺放角度與位置，讓買家能更直接的了解整體感受。

營建業應用 結合BIM

營建產業裡也開始有 AR 技術的應用研究，並與建築資訊模型（Building Information Model）作結合。美國軟體公司 Bentley 於 2011年起針對擴增實境技術之應用作了許多研究。他們認為，當虛擬環境與資訊能在視覺上清楚明確且具意義的呈現時，才能真正增進使用者的感知。

1. 表現隱藏物件

而基於以上想法，他們對於建物中的隱藏物件（如管線）的空間感知提出疑問：若將虛擬管線直接結合於真實影像中，使用者無法感受到管線埋於建物或路面下之空間感。因此，為了克服此困難，研究團隊選擇以呈現「虛擬挖掘」畫面來使使用者直接了解管線配置的位置，並搭配管線探地雷達的管線位置結果擺設虛擬管線 [1]。藉此，當工程人員須於該區進行路面開挖時，即可藉由擴增實境畫面了解管線之複雜性以判別施工上可能遭遇的問題，後來更改進了虛擬管線的擬真性與新增二維剖面的輔助呈現。

2. 疊加虛擬於實體空間中

 而在另外一項有趣的嘗試，是將實尺寸的二維圖說與現場畫面，藉由行動裝置疊加呈現，以方便工程人員了解與比較圖面與現況，這等同於即時的放樣，利用擴增實境的特性，直接把虛擬的模型與實體空間巧妙結合 [2]。

這解決了營建產業長久的問題--二維圖說的正確理解，以按圖施工。現有工程師必須同時參考多個圖面，正確理解，並在腦中呈現三維的施工樣貌，三維樣貌，圖面多而繁瑣，常須了解圖與圖之前的關係性才能於腦海中建構出三維樣貌。

因此，增加實境的目的即為將每份二維圖說依其空間中的真實位置，真實疊合於實際影像中，並維持正確的尺寸。這也可以一併解決隱藏物件的顯示問題，將建物「挖開」一隅而可直接看到圖面。

3. 自動放樣與記錄

 除了協助現地人員對施工之了解外，亦有研究結合擴增實境與建築資訊模型於查核施工缺失之應用 [3]。針對預先設定的施工查核點，再指派查核人員於現地依指定位置與角度或是設置輔助標記拍攝照片後，直接與三維模型於同位置之截圖作影像重合與比對，以自動判別是否有施工缺失。舉例來說：為檢核門窗開孔位置之正確性，查核人員只須拍攝現實中開窗與門的照片，並和同姿態與位置之虛擬環境拍攝結果比對開孔大小、距離等，即可發現可能缺失並予以糾正。此方法不但能自動化判別缺失之步驟，亦可確實留下紀錄，以避免人為判別可能之失誤或通融行為。

未來應用 樂觀可待

擴增實境技術自 90 年代發展至今近 30 年頭，技術及開發工具皆趨成熟。近來隨著雲端技術、行動裝置軟硬體、穿戴式裝置等快速發展，對於擴增實境未來之應用令人抱持樂觀的態度。目前該技術於遊戲產業中已被商品化，製造業和零售業也推出許多概念商品。而營建業對新科技的應用，通常都具有較保守的態度，但順著產業的應用潮流來看，當技術門檻逐漸下降，擴增實境也應會在營建產業發光發熱。加上 BIM 的快速發展，日後擴增實境的技術應用，值得期待。
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參考文獻
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1. S. Cote. "Augmented reality for underground infrastructure: the problem of　spatial perception." Internet:　http://communities.bentley.com/other/old_site_member_blogs/bentley_employees/b/stephanecotes_blog/archive/2011/12/10/augmentation-of-subsurface-utilitiesthe-problem-of-spatial-perception.aspx, Dec. 10, 2011 [Mar. 21, 2014].
2. S. Cote. "Augmented reality for building construction and maintenance:　augmenting with 2D drawings." Internet:　http://communities.bentley.com/other/old_site_member_blogs/bentley_employees/b/stephanecotes_blog/archive/2012/09/11/augmented-reality-for-building-construction-and-maintenance-augmenting-with-2d-drawings.aspx, Sep. 11, 2012　[Mar. 21, 2014].
3. C. S. Park, D. Y. Lee, O. S. Kwon and X Wang. "A framework for proactive　construction defect management using BIM, augmented reality and　ontology-based data collection template." Automation in Construction, vol. 33,​　pp. 61-71, Aug. 2013.

 
註：圖一來源：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reality-Virtuality_Continuum.svg

(本篇刊載於營建知訊374期57-61頁)