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2019-07-21不只玩遊戲,也讓生活更便利!綜談擴增實境技術應用 451 期

Author 作者 陸元平/臺北科技大學機械工程系副教授。
 
機器也能成就生命風景?淺談擴增實境
談到擴增實境(augmented reality, AR)技術應用,當屬在全球掀起熱潮、由任天堂公司所發行的精靈寶可夢(Pokémon Go)尋寶遊戲。然而,寶可夢的風行造成一般人認為所謂的AR技術,就是指將虛擬的三維物件與真實環境同步顯示,甚至以為該技術主要應用於遊戲產業。事實上,僅將AR技術與人類的視覺建立關聯,的確是個大謬誤。

眼睛是人的「靈魂之窗」,人類在蒐集資訊時,最強大的感官就是視覺。但是,一般正常人取得資訊的方式並不僅限於透過視覺,還可透過聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等感官方式來接收資訊,並藉「靈魂」與「智慧」進一步解譯資訊。因此,人類接收與解譯資訊的運作模式,就成了AR系統發展的基礎。

與生物體的完美融合:用數位化科技擴增人體性能
發展AR技術的重要性,必須從人類如何擴增自身能力的行為模式說起。數百萬年來,人類持續不斷地藉由石器、長矛、自行車和電話等工具的發明,讓自身的能力變得越來越強;自行車提升人類自身的移動效能,電話使人類成為順風耳。

近代人類所製造出來最重要的工具,首推電腦。在蘋果(Apple Inc.)創辦人賈伯斯(Steven Paul Jobs)眼中,電腦就好比是大腦的自行車,可以擴增自身的腦力。在電腦發明短短的數十年間,各種軟體程序、周邊裝置與通訊技術相繼發展出來,引領著人類正式邁入了以電腦為中心的第四次工業革命世代。

第四次工業革命的科技發展重點,在於將數位化(digital)技術與物理、生物系統有機地融合在一起。換句話說,以電腦為核心的數位化技術,在第四次工業革命發生前獨立於物理與生物系統之外,絲毫沒有關聯。


 
然而,AR技術本質上就是數位化技術,「有機融合」也成了建構該系統的挑戰。
「有機融合」這四個字代表什麼意義
呢?舉例來說,失去一條腿的人喪失了正
常人應有的一些能力,而一根拐杖便可使
這個人取得原本腿的部分功能,如支撐能
力。試想,若人類製作出可以與「人」
這個生物體進行完美有機融合的「裝置
(腿)」,失去一條腿的人就能再次取得
正常人應有的一些能力,甚至可以變得更
強。這種無邊界、虛實相互轉換的有機融
合,將可大幅提升人類的能力、擴增人類
現階段實境中所無法做到的事。

從電腦科技長一株 擴增實境的生命樹
為探究AR技術的實質內涵,可從個人電腦的發展歷史著手取得一些靈感。賈伯斯於1990年接受美國WGBH電視台記者訪問時指出,三項革命性創新的實踐──包括1977年出現的試算表、1985年出現的桌面出版(列印)系統以及1990年出現的網際網路──是吸引消費者購買與使用個人電腦這項產品的主要原因。數位化時代中,做任何事情都需仰賴資訊、數據等有意義的資料,而這三項創新的概念,即是將資訊「算」出來、「做」出來並「連」起來。

如果加入現今流行的詞彙來描述數位化技術,或許能讓畫面更立體(圖一):營運技術(operational technology, OT)指的是人或智慧主體(intelligent agent)如何以最經濟有效的方式運用資訊把事情「做」出來;資訊技術(information technology, IT)可提供作業所需、充分且必要的雲端(cloud)「整合」資訊;近年正夯的人工智慧(artificial intelligence, AI),則是指如何運用(大)數據,針對所關心的問題,嘗試將答案給「算」出來;而通訊技術(communication technology, CT)的目標是把萬物都「連」起來,讓物與物彼此間可以直接溝通、交換資料,形成所謂的物聯網(Internet of Things, IoT)。
系統架構設計師掌握了一切?
如今,AR的商機無限已經是不爭的事實,其應用服務系統所要支持的是有機融合形式的創新應用,而非一般傳統資訊系統所能支持的應用。由於創新應用不易藉由抄襲的方式建構,因此,對未知的想像能力與實踐能力,成為發展一套AR系統所必須面對的最大挑戰。

完整的AR應用服務系統包含軟體程序、資訊系統與周邊硬體設備。然而,該系統的軟硬體架構及程序還未被具體定義,所以亟需仰賴系統架構設計師的想像力去進行規劃與定義。AR應用服務系統的建構,是用來解決人類所要面對的問題。針對不同產業的需求,系統架構設計師必須發揮想像力,提出能促進各行各業創新與升級的良方,並帶領技術團隊具體實踐。這種創新程序極富挑戰性、不易突破,是現今的AR應用多屬「淺碟型」技術的主要原因。


 
一般來說,AR系統架構設計師必須深耕產業,並且對產業充滿了熱情與使命感。此外,他們必須對實際應用有超乎常人的理解力與想像力,才能將真實世界的作業程序虛擬化,成為數位化人機協同程序。

而定義數位化人機協同程序所需的技術,就是前述的OT。除此之外,架構設計師必須對AI、IT與CT等數位化技術有一定程度的瞭解,在面對問題、解決問題時,還必須懂得藉力使力、學會如何藉由既有技術縮短打造應用系統所需的時間。

舉例來說,Intel公司從沒想過要製造電腦,最早想到用微處理器去製造電腦的反而是電腦愛好者!亦即,決定需要結合哪些既有技術、或需要發展哪些新技術去打造AR的應用系統的人,通常不會是資訊整合專家、不會是即時通訊專家、不會是人工智慧專家,更不會是AR眼鏡或周邊硬體製造商,而是掌握一個產業應用服務創新關鍵的系統架構設計師。

擴增實境相關軟體技術
現階段所發展出的AR應用系統,主要透過視覺與人進行互動與溝通,造成一般人誤以為其僅與人的視覺有關。此外,互動與溝通也有深淺程度之分;而現階段廣為人知的AR應用系統多屬淺碟式、概念式、或娛樂性的應用,故無法呈現出該科技在人類發展史上扮演著重要角色的原因。

圖二:過渡期人工智慧與未來發展方向。

然而,該現象並不會限制那些具好奇心的人類對AR應用充滿著的憧憬與想像。從數位化技術發展的歷史可以了解到,好的平台軟體工具是任何一種應用軟體系統發展的主要關鍵,正因如此,許多平台軟體工具(如Unity3D、ConnextDDS、TensorFlow等)不斷地推陳出新與演化精進,成為發展出具影響力AR應用系統的必要條件。以下針對與AR應用系統發展所需關注的軟體黑科技,分成通訊技術、人工智慧、資訊技術等3個區塊進行說明。


 
CT──數據分發服務與時間敏感網絡
通訊技術並不是指機房、交換機、網路線等「網通設備」,而是那些看不到、摸不著、非常抽象虛擬的「通訊軟體」。


針對CT,開發AR應用系統的人若只專注於「連」起來、而不關注連線溝通的「品質」、尤其是安全性與即時性,就會造成大災難。許多人把通訊科技與5G劃上等號,然而,物聯網領域光靠5G技術是不夠的。5G承載了TCP/IP協議的包袱,不能完全保證它的服務品質;尤其在工業領域對延時的容忍度更低,如果要將5G技術應用於產業,必須有新技術的輔助搭配。
目前,業界與國際標準組織合作發展中,針對以上問題的解決方案,是以數據分發服務(Data Distribution Service,DDS)技術為基礎的時間敏感網絡(Time-Sensitive Networking,TSN)為主。也因此,它們成了開發AR應用系統所必須關注、與CT相關的黑科技。
AI──以數位化的方法描述個人的靈魂
人工智慧是由人類製造出來的智慧主體所表現出來的智慧,它具備與人類同等的智慧、或超越人類的人工智慧,智慧主體能表現正常人類所具有的所有智能行為。
 
基於「智慧」一詞難以確切定義,使現今的AI被區分為「弱AI」和「強AI」。弱AI只能模擬人類的思維與行為表現,不具備人類完整的認知能力,所以僅可用來處理特定問題,目前發展出的智慧主體多只具備過渡期的弱AI能力;反之,強AI通常會把AI和意識、感性、知識和自覺等人類的特徵互相連結。事實上,這些過渡期的弱AI只有單向深度學習的資料回饋,也就是將資料轉換成資訊,所以嚴格說起來並不能被視為「智慧」。

弱AI相關技術主要分成感測技術與致動技術。感測技術是在模擬人類的五感,而致動技術是在模擬人類透過文字、聲音、動作、眼神等進行溝通的方式。演算法的優化與更精準的控制是現階段AI技術發展的主軸。

總的來說,該技術的未來在於發展過去所認為不可能的方式,進而了解人類自己。要解密人腦這個黑盒子,首先我們可以藉由五感互動的方式進行數據擷取與收集,並加入深度學習探索個人的「理智」面,藉此達到以數位化的方式預判個人行為的境界。接著可以透過環境及劇場的改變、連接個人的情感資料庫,再經由深度學習探索個人的認知,達到以數位化的方式描述「個人靈魂」的境界。因此,如何藉由AR應用系統去探索個人行為與靈魂,並發展出能促進個人身心健康的AR應用系統,是AR應用系統開發者所在AI領域內需持續探討的議題。

資訊技術可說是AR應用系統運作的基礎核心,因為各項作業的運行都需要資訊。由於AR應用強調虛擬與現實間無痕的切換,因此,當現實空間中的事物被抽象成數位化資訊後,便可以與其他資訊進行整合,且在虛擬空間中才能真正實踐虛實整合與人機互動。此外,虛實整合與互動生成後再回到現實的空間,就可具體以圖像、聲音、動作、氣味、味道等方式呈現結果。由於AR應用多具革命性創新的特質,且能將真實環境抽象成數位化虛擬運作環境的系統建模(system modeling)工作,充滿著超乎常人所能克服的挑戰。若系統建模工作做得不夠紮實,做出來的系統就只能作為概念展示。


 
要承擔系統建模的工作,必須同時對實際作業及資訊系統有著超乎常人的理解力;然而,對這兩項的理解力就有如魚與熊掌難以兼得。發展資訊系統的目的是為了輔助實際作業,因此,針對應用系統的發展(尤其是創新應用),承擔系統建模工作的專家,必須對實際作業有獨到的創見。為了輔助建模專家進行系統建模,許多非營利國際軟體標準組織嘗試發展出建模方法論,如ebXML、UML和SysML等,並提供相對應的建模工具軟體。除此之外,建模專家如果對資訊系統的理解真超乎常人、並擁有資訊系統實作團隊時,就會選擇自行發展私有(In House)工具軟體來輔助自己進行系統建模。數位化虛擬運作環境的系統建模(systemmodeling)工作,充滿著超乎常人所能克服的挑戰。若系統建模工作做得不夠紮實,做出來的系統就只能作為概念展示。

要承擔系統建模的工作,必須同時對實際作業及資訊系統有著超乎常人的理解力;然而,對這兩項的理解力就有如魚與熊掌難以兼得。發展資訊系統的目的是為了輔助實際作業,因此,針對應用系統的發展(尤其是創新應用),承擔系統建模工作的專家,必須對實際作業有獨到的創見。為了輔助建模專家進行系統建模,許多非營利國際軟體標準組織嘗試發展出建模方法論,如ebXML、UML和SysML等,並提供相對應的建模工具軟體。除此之外,建模專家如果對資訊系統的理解真超乎常人、並擁有資訊系統實作團隊時,就會選擇自行發展私有(In House)工具軟體來輔助自己進行系統建模。

片段的資訊常會讓人做出錯誤的決策,而「資訊不對稱」更會使社會上不公平現象一再出現。讓每個人得以取得充分且必要的完整資訊,是人類之所以發展資訊系統的終極目標。由於資訊本身有著一加一大於二的特性,因此AR應用系統開發者也需了解如何利用資訊技術把更多現實空間中的事物進行抽象化、建立系統並加以整合(尤其是「異質」系統間的整合)。
 
IT:抽象化與整合,讓資訊對人更有感!
資訊技術是指定義、管理及運用資訊的技術,對「接收者」而言屬於「有意義」的資料或數據,因此並不是所有的數位化的數據都可被視為資訊。

 

擴增實境相關硬體裝置
數位化技術之應用發展,終會走向「軟體將定義一切」的境界;換句話說,未來AR硬體裝置的發展,會以配合AR應用軟體的方式製作。

由於人類與硬體間存在許多不同的溝通模式(表一),隨著創新AR應用的發展,未來將有更多樣化的感測器、智慧裝置與仿生機械加入AR硬體市場。感測器強調量測值的精準度,智慧裝置強調裝置本身AI的能力,仿生機械強調控制的穩健度。這些硬體產品,都會朝向微小化、個人化、輕量化、超低能耗、環境友善的方向發展。因此,微機電系統(MEMS)、加法製造(3D列印、3D紡織等)、創新材料等領域的相關知識,都是在製做AR相關硬體裝置時所需掌握的先進科技。

 
方便的技術帶來哪些安全隱憂?
AR系統可擴增人類的能力,但如果這種擴增促使人類做出了違背倫理常規的事,則在道德法律上仍必須歸咎於人類本身;至於會危害人類生心理的AR系統與硬體,理應不被允許上市。未來AR科技的發展,如果能使人類藉由AR系統的擴增、去掌握他人思想與情緒時,就必須先創造出一個能讓人類自由思想的空間,允許發散思維與創意思維;並制定相關法令,保障個人的思想自由、避免「思想霸凌」的憾事發生。

而網路通訊上的漏洞,也會導致接受AR系統擴增能力的人做出錯誤的決策、甚至會使人因受到AR系統的控制而做出違背倫常之事。一旦系統被駭客入侵後,後果將不再只是假新聞、資料竊取、阻斷服務攻擊般的單純,而是會因被控制的人或裝置都成了殭屍,形成如同電影「屍速列車」般的場景。為了杜絕駭客的攻擊威脅,AR應用系統必須針對網路架構的各層(尤其是傳輸層及應用層及可能會產生資安漏洞之處)投注更多的關注與努力,而區塊鏈技術的發展,也須避免資料被竄改的情形發生。

前景無限
由於AR產業的發展正處於嬰兒期,且相關應用大多正在醞釀中,故人類對AR的未來仍然是充滿著憧憬。就著數位化技術的本質,該系統的發展與AI、IoT、大數據、區塊鏈等先進技術息息相關。人類之所以發展AR,是希望藉由數位化技術的應用、去擴增人類自身的能力。倘若配套措施得宜,可以預見不久的將來,AR系統終將為人類帶來超乎想像的應用價值。