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技術探索

基於MEC系統之擴增實境導航服務

工研院資通所 黃貴笠 張宏鉦 楊人順

MEC系統讓AR導航/導購服務成商場最佳利器。

MEC系統讓AR導航/導購服務成商場最佳利器。

本文一開始介紹擴增實境技術的發展簡史一直到5G的發展,接著說明擴增實境導航服務在車站場域的應用以及從商業面說明由擴增實境導航服務所延伸出來的擴增實境導購服務之可行性;最後,帶入5G的多接取邊緣霧運算(Multi-access Edge & fog Computing, MEC)的概念,並說明為何MEC之於擴增實境導航服務扮演了相當重要的角色。

精彩內容


1. 5G MEC技術讓虛擬實境(AR)導航/導購服務得以實現

2. 案例分享-工研院擴增實境導航/導購服務

3. 商場最佳利器-MEC技術之擴增實境導航/導購服務

5G MEC技術讓虛擬實境(AR)導航/導購服務得以實現

1.擴增實境發展時間軸

擴增實境是指透過攝影機(照相機)影像加上影像處理技術,讓螢幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景進行結合與互動的技術[1],擴增實境(Augmented Reality, AR)的概念早在1960年代就被提出了[2],此時的發展屬於實驗室階段,往後的發展更是一段極其漫長的萌芽之旅。經過好幾世代、各方面的演進,硬體遵循著摩爾定律持續發展、網路軟硬體依然持續著電信網路與資料網路的雙軌並行變革,無線寬頻的世代,智慧型手機出現了,時代的需求造成大量的軟硬體整合,數位相機也被納入了手機的標準配備當中。人與機器之前的互動也漸漸地從等待機器完成運算任務變成機器迅速完成運算,提供人們即時回應的應用服務等級的互動方式。持續不斷演進才逐漸完備了發展擴增實境技術所需要的開發環境。

在2008年開始有了智慧手機上面的應用,透過相機,人們可以在手機上同時看到實景以及虛擬影像,作為對實境的擴增。2014年Google發表了Tango專案,同年,Google Glass也發表了[2],此時的擴增實境應用已經開始被應用在行動網路的環境中了,然而所有的功能都在手機上頭實現;手機的運算能力以及高運算量的耗電考量,使得擴增實境的實用性以及發展性受到限制,這也是擴增實境技術發展一路走來這麼漫長的原因之一。更精確一點來說,擴增實境應用的主要需求是應用的即時性,而擴增實境最仰賴的影像處理技術卻需要大量的運算,雖然我們已經進入了人手一機的網路環境,但是目前手機上的運算能力和影像處理能力仍有很大的進步空間,加上手機本身的耗電考量,這使得要滿足擴增實境發展上所需要的即時性仍然有諸多的困難與挑戰。

2.室內導航與擴增實境

擴增實境的應用很多元,其中一個應用的面向是室內導航。使用者在封閉空間如大型辦公大樓、醫院、學校大樓與商場等地方,尤其是在一些路徑較複雜的多個路徑交會地區,有可能因為第一次來到此地區,往往會需要耗費許多時間判斷、甚至多次嘗試之後才能到達目的地;更甚者,有可能在尋找正確路徑的過程當中,因無法判斷自己現在身處何處而走失。因此,室內定位與導航系統可以幫助使用者找到並順利到達目的地,加上與導航相關的商業需求出現,例如車站、機場、零售店、運輸和旅館的消費、娛樂和其它相關導購應用等都需要室內定位和導航系統解決方案。而在室內定位與導航系統當中,擴增實境的室內導航技術與應用對於使用者來說是最為直覺的,因此,室內導航的技術發展方向以擴增實境相關技術為主軸。

3.5G MEC時代的擴增實境

目前擴增實境的影像辨識與虛擬內容存取架構,分為全部在手機上執行和在中央雲端執行兩類:前者耗費手機資源,既因為大量運算耗費手機電力又佔據大量記憶體,常使消費者卻步;後者產生較長的網路傳輸延遲和大量資料庫搜尋延遲,常常完成一張影像辨識和虛擬物件回傳需要耗費5秒鐘,完全無法滿足即時導覽的需求。然而,隨著人們期待的5G時代即將來臨,無線網路的資料傳輸量將大大提升,傳輸延遲將大大縮短,而且大量的運算資源將被安排在靠近使用者的邊緣段或者是霧端,也就是所謂的多接取邊緣霧運算的架構[3],這讓擴增實境的發展獲得了解套:把繁重的運算工作從手機端移至邊緣端或是霧端,加上極短幾毫秒(millisecond)的網路通訊延遲,MEC對於擴增實境在無線網路環境中的實現,變成了不可或缺的角色。

案例分享-工研院擴增實境導航/導購服務

擴增實境的應用

擴增實境的應用面向非常廣泛,生活相關應用諸如:輔助駕駛、導航等;商業應用諸如:導購、遊戲娛樂等;專業應用諸如:賽事裁判輔助等,幾乎只要標的情境的應用服務需求上符合「透過螢幕上的虛擬世界與現實世界場景進行結合與互動」的原則,都是擴增實境技術可以應用的地方。

由於擴增實境的應用繁多,以下就車站場域(例如:台北車站、南港車站)說明擴增實境的應用。車站通常是一個國家的重要運輸樞紐,且為由多種交通工具、各類商店、活動廣場所建構之錯綜複雜地下系統,每日平均進出旅客成千上萬,常因出入口眾多、缺乏明確指引,加上分不清東南西北的地下街道,宛如一個大型迷宮,常讓進入車站的旅客和民眾無所適從。

這種大型場域使用者有導航與導購方面的需求,介紹如下。

1.擴增實境導航

由於城市交通系統複雜化,加上鐵路地下化,導致GPS技術無法使用於徒步導航,而目前的室內定位導航技術,仍有定位誤差過高的問題。此外,2D室內導航模式,也很容易讓使用民眾搞不清楚身處方向。因此,透過擴增實境技術提供直覺式的室內導航,透過螢幕上的虛擬指標或指示圖示與現場的場景形成擴增實境,將能有效提升使用者的導航體驗。

圖1  擴增實境導航服務示意圖

圖1 擴增實境導航服務示意圖

使用者在車站場域裡,在一些路徑較複雜的多個路徑交會地區,例如樓梯、電扶梯及通往不同大眾運輸平台(如:台鐵、捷運、高鐵等)的交會口、上下樓梯口等,在這些區域若僅以2D地圖作導航,使用者往往會因複雜地形無法於2D地圖上顯示而誤判行進方向,這時透過擴增實境導航在手持裝置上以實際真實影像顯示使用者該前往方向可大幅減少使用者的迷途。如圖1所示,當使用者前往高鐵的途中到了此場景,第一次來到此車站的使用者會不曉得要往哪個方向走,很容易在此區域迷路走失或是花費了許多時間確認目的地在哪;在此區域如果能夠透過擴增實境導航服務的協助,則可順利引導使用者朝樓梯方向走去,到達高鐵目的地。

2.擴增實境導購

擴增實境導航搭配即時擴增實境互動與商業行銷設計可提供使用者擴增實境導購服務。由於車站內的旅客時常需要等待車班車次,因此車站往往與商家做結合,讓旅客在等待的過程當中可以購物、逛街、打發時間。然而,車站內部商家眾多,又彼此之間屬於不同區塊,如台北車站的微風、誠品、地下街,南港車站的環球購物中心等,使得旅客取得消費資訊(如:商品介紹、即時折扣優惠)需透過各種不同模式,商家也不易宣傳。因此如何讓旅客或民眾輕鬆前往目的地,有效掌握時間,在初次光臨的地方逛街、消費、購物,是提供導購服務時一個重要的需求點。此外,為了增加消費,善用車站交通樞紐的優勢辦理主題式行銷活動也是一項商家的促銷方式,結合擴增實境導購,甚至實景活動來提高民眾對品牌或新產品的興趣,如透過實景地圖與擴增實境,以車站作為活動場域,可作為線上遊戲或品牌舉辦主題式行銷活動的地點,由於台北車站每日人數通量大,更加適合做為主題活動的據點,開發成為另類的互動遊戲場。

如圖2所示,當使用者依導航指示走到自己所搜尋的商品/店家附近時,手持裝置上的影像呈現會以擴增實境影像協助使用者從琳琅滿目的商品/店家中找到自己的目標,並以推播方式讓使用者取得商品/店家或特惠等資訊;而依實際需求,針對主打商品或有特別活動的店家,更可引導使用者買到想要購買或覺得有價值的商品。

圖2  擴增實境導購服務示意圖

圖2 擴增實境導購服務示意圖

透過擴增實境導購,提供即時擴增實境互動體驗,改變以往旅客僅短暫逗留車站的行為,透過提升旅客停留時間來提高消費額,並解決附近店家缺乏直接行銷通路之缺口。此外,透過服務的提供掌握旅客行為模式,以利店家有效掌握旅客需求,提高通勤人口、市民以及旅客與店家的連結度與黏著度。再者,旅客也可透過掃描車票,導覽服務將會依據旅客停留的時間進行微行程建議,可有效協助旅客利用零散時間在車站內移動與消費,也避免旅客呆坐空等。

商場最佳利器-MEC技術之擴增實境導航/導購服務

1.MEC的特性

MEC是指邊緣運算的概念與技術,是將小型邊緣伺服器放在終端使用者和雲端運算平台之間,建立邊緣運算平台,在進入雲端運算平台之前,部分運算工作能夠卸載至該小型邊緣伺服器,以減少使用者與運算服務之間的通訊(與網路)延遲,以加速眾多需要極低延遲時間的5G應用服務之發展[4]。根據ETSI MEC標準制訂小組所定義之邊緣運算有三大特性[3][4]:接近性(proximity)、超低通訊延遲時間(ultra-low latency)及高頻寬(high-bandwidth),即MEC可以在距離使用者較為「接近」的網路位置,提供IT服務以及如同雲端運算與諸存能力,並達成「超低通訊延遲時間」及「高頻寬」的服務。
我們用以下表格來總結使用MEC系統對於擴增實境導航服務與應用的優勢:

表1  MEC特性比較表

 

不支援MEC的雲端服務

支援MEC的服務

圖資下載即時性

擴增實境用的圖資(圖片、影像、動畫等)從雲端下載的時間長,不易支援擴增實境技術所需要的即時性

擴增實境用的圖資(圖片、影像、動畫等)透過MEC系統通訊的下載延遲短,適合支援如擴增實境導航等需要支援即時性的應用服務

運算即時性

雲端伺服器雖然足以提供擴增實境所需的大量且快速的運算,但可能會因為網路通訊經過Internet而造成延遲時間過長,不易支援擴增實境技術所需要的運算即時性

透過MEC系統,可以提供擴增實境所需的大量且快速的運算(雖然相較於雲端伺服器會較慢),但因為網路通訊延遲時間縮短非常多,對擴增實境技術所需要的運算即時性之支援度相對來說是高的

 



2.擴增實境導航服務

透過MEC與擴增實境技術結合(車)站內導航,以及周邊商圈店家資訊,結合擴增實境導航、擴增實境遊戲互動、擴增實境故事互動導購等情境模式,提供旅客在(車)站內移動,遇到複雜多路口難以確認方向時,可利用影像辨識技術準確判斷移動方向的導航服務,同時在移動過程中,結合周邊商家促銷資訊,用電子優惠劵結合手機互動活動,以提高民眾的興趣與使用率。

利用MEC系統的即時影像辨識能力與虛擬內容的快速回應能力。如圖3所示,MEC系統就安裝在無線接取點的後端,辨識場景用的影像辨識功能與擴增實境用的虛擬內容存取全部在MEC裝置上執行,優點是超低的網路傳輸延遲和區域化小型資料庫,是真正的大量影像辨識資料環境的可行方案,可以提供使用者一個全新的即時互動體驗。

在車站裡,我們在特殊區域佈署MEC系統,設置「擴增實境導航服務區域」。在「2D 導航」區域使用者的手持裝置會透過例如iBeacon等室內定位技術取得使用者在場景中的約略位置。而「擴增實境導航服務區域」則建置在一些有特殊功能需求的區域,例如場景中手扶梯的位置或提供消費服務的店家。「擴增實境導航服務區域」區域會配置有MEC伺服器,負責將手持裝置相機傳來的錄影畫面進行影像辨識,以提供使用者更細緻的導航服務或各式各樣的導購服務;同時MEC伺服器也連向網際網路,使得整個場景中的使用者連上任一MEC伺服器,一方面可以享受MEC所帶來的即時性應用服務,同時可以暢遊網路,享受網路上所提供的服務。

圖3  基於MEC系統之擴增實境導航服務示意圖

圖3 基於MEC系統之擴增實境導航服務示意圖

在此MEC架構下,除了不斷更新室內定位技術之外,導入機械學習技術於MEC伺服器,學習使用者的遊覽行為與逛街購物行為,依據旅客停留的時間進行微行程建議,可有效協助旅客利用零散時間在車站內移動與消費,也避免旅客呆坐空等,透過掌握旅客行為模式,以利店家更精準提供符合旅客需求之服務,以提高通勤人口、市民以及旅客與店家的連結度與黏著度。

結語

MEC系統提供即時低延遲的擴增實境導航服務,進而衍伸出可搭配商業行銷模式的擴增實境導購服務,以促進使用者在標的場域的遊覽、購物消費行為,是前瞻技術與商業模式相互搭配的充滿潛能的5G時代應用之一。

參考文獻

[1] 擴增實境, [online] https://zh.wikipedia.org/wiki/擴增實境
[2] M. Isberto., History of Augmented Reality, Collocation America, Technology News, 2018. [online] https://www.colocationamerica.com/blog/history-of-augmented-reality
[3] Nurit Sprecher, What is Mobile Edge Computing (MEC)?, ETSI, 2016. [online] http://www.etsi.org/blog-subscription-information/blogger/listings/sprechern
[4] 陳建成、陳昀暄, 多接取邊緣運算(MEC)技術, 電腦與通訊期刊, 173期, 2018. [online] https://ictjournal.itri.org.tw/Content/Messagess/contents.aspx?&MmmID=654304432061644411&CatID=654313611231473607&MSID=1000640406731504736