CETT文創科教智囊團

使用AR Sandbox，你除了可以及時地跟電腦互動，更能親手打造山脈、小溪、海洋及任何想到的東西，觀察他們是如何相互影響的，現在就動手打造屬於自己的大地地景吧！

展演流程

-實驗演示影片照片

AR Sandbox操作演示：

1.地貌：

2.下雨：

AR Sandbox涵蓋了光的反射、折射、繞射、干涉四大原理，為了幫助大家更了解這些現象，我們將進行以下的演示：

1.光的反射與折射演示：彎折的鉛筆(常態)、消失的燒杯(例外)

2.光的繞射與干涉演示：光柵眼鏡

原理說明

AR Sandbox是一個可以透過玩家互動來傳達地理概念的裝置，透過擴增實境的技術，藉由投影賦予沙丘地貌不同的顏色，完美傳達了等高線的地理概念。隨著我們親手撥動沙子改變地貌，感測器可偵測到投影的深度變化，將偵測到的資料回傳，經由軟體運算，可即時更新投影顏色，重新改變等高線的分布。以下將深入介紹擴增實境(AR)、Xbox感測器、沙箱製程的原理。

擴增實境(AR)：

擴增實境，就是將虛擬物件與現實世界的場景結合的技術，而且能即時互動。要完成AR的呈現，首先需要影像擷取，攝影機要即時擷取使用者周遭環境的畫面，畫面中包含的訊息有物件的位置和角度，再來是軟體的運作，透過軟體即時分析影像中各個物件的角度和遠近等資訊，建立場景的座標，並將虛擬物件的3D影像結合到座標上。

為了讓使用者對於虛擬物件感到逼真，可以事先將物件和場景結合成一個畫面再由螢幕顯示出來，或是影像不事先經過整合，而是利用光學投影技術(將物件的成像利用面鏡反射及透鏡組折射來調整大小及位置)，使虛擬物件的光線和真實場景一同進入使用者的眼睛。後者可以減少因視訊造成的失真，但比較需要幾何光學的技術來完成。

Xbox感測器：

想要達到AR的效果，最重要的關鍵就是Xbox感測器！Xbox在沙盒的運作中扮演非常重要的角色，它有三顆鏡頭，可以一次擷取彩色影像、3D深度影像、聲音訊號。中間鏡頭為RGB彩色攝影機，左右兩邊為紅外線發射器及由紅外線攝影機所構成的3D深度感應器。

Xbox包含了我們所要介紹的重點—四大光學原理：反射、折射、繞射、干涉。這些光學原理應用於Light Coding這項技術中，用來偵測沙子的高低起伏，利用發出連續的紅外線，透過鏡頭前的diffuser將雷射光均勻分布投射在測量空間中，此即為折射搭配繞射、干涉的效果(見右上方圖)，讓散斑擴散後均勻地分佈在空間中，再利用紅外線攝影機記錄空間中的每個散斑，擷取原始資料後，即可透過晶片運算形成具有3D深度的圖像。

什麼是散斑呢？散斑就是在雷射光照射到粗糙物體或穿透毛玻璃後，所形成的隨機反射斑點，它具有高度隨機性，會隨著距離而變換圖案，空間中任何兩處的散斑都會是不同的圖案，等於是將整個空間加上了標記，所以任何物體進入該空間、以及移動時，都可確切紀錄物體的位置。Light Coding發出雷射光對測量空間進行編碼，就是指產生散斑。

沙箱製程：

沙箱在實驗中必須承載大量的沙子，因此結構的穩定性非常重要！過多的沙子可能會使沙箱難以負荷，但若沙量過少以致於內部深度不足，則會造成玩家無法徹底體驗等高線的分布和地貌的改變。為了要完美呈現投影結果及良好的互動品質，結合了眾多因素與考量，我們決定出所需的投影面積與深度，再透過沙子的密度，計算出需要約108公斤的沙量(體積*密度=質量)。

此時，就要利用靜力學來分析當沙子放入沙箱後，所有支撐點所能承受多大的重量，為了減輕沙箱的負擔，我們將沙箱與地面之間設計為面狀，並選擇負重量較佳又堅固的甲板而非貼皮的木心板，雖然價格上昂貴許多，但比較不容易形變，相對穩固。在確保整個沙箱維持靜力平衡和轉動平衡之後，大家就可以在安全無虞的環境下盡情體驗！另外，考量到整體的機動性與組裝的便利性，我們將背後的固定支臂設計為可拆式的，中央的沙箱槽也是採獨立包覆，沒有使用外邊的結構當擋牆，這樣比較不會有縫隙，沙子便不容易外漏，最後，由於投影範圍的需要，我們將沙箱頂端改為採用角鋼設計，雖然較不美觀，但能夠藉此自由調整投影機和Xbox的位置，以達到最佳的呈現效果。

生活應用

還記得高中地理課那難以理解的等高線地形圖嗎？還記得風靡一時的電玩wii嗎？還記得第一次看到時令人雙眼為之一亮的電子白板嗎？還記得劃時代的創新3D掃描嗎？讓我們來探究其中奧秘吧！

隨著擴增實境技術的應用越來越廣泛，現今的地理老師只要擁有一台AR sandbox，就能突破空間的限制，使教學內容更為生動、真實，讓學生透過實際體驗立刻搞懂地形圖！當擴增實境的技術運用在教學用的沙盒上時，同時也是利用科技打造了一個新型態的「玩具」，在視覺效果與互動上成功開拓教育方式的未來性，同時也成為大學部建築、工業設計等系所製作模擬模型的利器！

Xbox除了在AR sandbox模組中扮演了不可或缺的角色之外，其實也與我們小時候為過的電玩wii大有關聯，準確地說，Xbox是wii的進化版，所謂「身體就是控制器」，Xbox不只承襲了wii利用紅外光感測身體的移動來操控的技術，更新增了骨架追蹤系統，該系統最多可同時偵測到6個人，包含同時辨識2個人的動作；每個人共可記錄20組細節，包含軀幹、四肢以及手指等都是追蹤的範圍，達成全身體感操作。

電子白板和3D掃描也都是Xbox應用的延伸，運用了紅外光偵測與散斑，精準地定位出目標物的所在位置，這項涵蓋了光的反射、折射、繞射、干涉的技術，是我們邁向E世代的一大助力！

參考資料

Augmented Reality Sandbox https://arsandbox.ucdavis.edu/

微軟Kinect https://www.techbang.com/posts/2936-get-to-know-how-it-works-kinect