｜零壹成員｜部落格化｜數位建築｜城鄉建築｜作品建築｜推薦留言｜
｜推薦網站｜林相片盒｜林旅遊誌｜通通學會｜論文寫作｜楊事務所｜
虛擬實境應用於建築空間設計初探 BY黃詩尤
一、 前言
近幾年來，我們可以看到許多關於虛擬實境（Virtual Reality，VR）的新聞與報導，從十多年前美國迪士尼遊樂園中的立體電影引起轟動、前幾年國防部購買虛擬軍事演練機，以及最近永慶房屋提共可線上觀看房屋室內；跨越了21世紀，我們除了適應現實世界外更要瞭解虛擬世界所帶來的一切改變。在建築領域裡運用軟體算出一張張仿真的虛擬實境，提供了設計過程中的便利性、也提供設計師與業主間更快速的溝通；除了成為提供人類與電腦之間溝通的介面，甚至將成為人與人之間互動的媒介。以下將從虛擬實境的發展談起，與目前台灣建築環境的虛擬實境趨勢。
二、 虛擬實境定義簡述
虛擬實境（Virtual Reality，VR）就是將現有的聲音、影像、繪圖、文字、等技術加以整合與改良，讓使用者能夠有「身歷其境(immersed)」的感覺。主要利用電腦所呈現出的一個模擬真實環境的影像，而使用者藉由使用裝有顯示器的頭盔、手套、多頻道顯示系統及力回饋裝置等裝備媒介產生訊號給電腦處理，使電腦回應使用者的動作來改變電腦所產生的影像.
虛擬實境的特點『3I』：融入感(Immersion)、互動性(Interaction)及想像力(Imagination)。
三、 虛擬實境技術起源
1965年在美國猶他州立大學電腦圖學之父Ivan Sutherland 提出「終極的顯示方式」（Ultimate Display），在當時許多模型都是以實體呈現顯示的年代，他卻表示希望透過電腦圖形的顯示，讓人們看到虛擬中的世界，但這觀念在當時的一般人根本是難以想像的。他隨後於1968年設計出第一個頭戴顯示器（head mounted display，HMD）〝sword of damocles〞，使用者只要戴上頭盔，就可以由內附的螢幕見到一個虛擬的世界，而且視野和景像可以隨著頭盔的轉動而變化。不過由於頭盔太重，而且人機介面僅限於視覺，實用效果不大。但從這頭盔的發展開啟了後續虛擬實境的研究進步。
|
1965年 |
Ivan E. Sutherland教授首先提出「Uultimate Display」，介紹以電腦顯示三度空間圖像的觀念。 |
|
1968年 |
Ivan E. Sutherland建立第一個頭盔顯示器。 |
|
1971年 |
UNC公司首先發展第一個力回饋的手操縱系統。 |
|
1980年代末 |
UNC公司應用虛擬實境技術發展數個應用範例。 |
|
1984年 |
NASA ames建立第一個立體的hmd（頭盔）。 |
|
1985年 |
NASA ames建立〝view〞（電腦工作站之虛擬介面環境）。 |
|
1985年 |
VPL公司成立，推出data glove 手套。 |
|
1989年 |
autodesk公司首先推出pc之虛擬實境系統。 |
|
華盛頓大學成立「human interface technology lab」，專注於虛擬實境介面及應用技術之發展，並為波音公司開發vtol（vertical take off and landing）系統，做為飛行模擬之用。 | |
|
Fake Space Lab成立，發展"boom"。boom為一具有多軸運動功能，機械結構類似機械臂的觀測器裝置，操作者可移動機械臂以改變螢幕影像視角。 | |
|
1992年 |
芝加哥大學發展"cave"。cave為一具有三個投影螢幕的三度空間影像投射系統。 |
資料來源：經濟部科發專案船舶產業E化中心 http://www.ship.org.tw/vr/index.asp
四、 虛擬實境現況發展
3D/VR數位內容的蓬勃發展，成為國家重點發展的產業，要開發更貼進使用者或更有趣的應用，不只是在電腦上播放而已，即時互動的VR、動畫、遊戲應用已成為產業的主流。多媒體行業被譽為第三次工業革命，而它一直在圍繞著我們的生活、娛樂等等相關。目前在多數的展示館、大型遊樂場（如：展示博物館，如：金瓜石的黃金博物館、台北中和的宗教博物館、台北士林科教館、台中霧峰的九二一地震博物館…等等許多展示博物館；遊樂場所，如：雲林古坑劍湖山震撼劇場、耐斯松屋的3D、4D、5D體驗館）中，運用圖文、影音、虛擬實境、資訊檢索、互相遊戲等技巧，展示品中所傳達教育意義、空間再現，藉由聲光、音樂、照明…等光彩奪目的視覺效果、聽覺、觸覺感官刺激；將以往單純而平面，並且總昰與觀看者缺乏互動的靜態展示空間，重新以互動式的虛擬擬真空間再定義。
4.1 虛擬實境應用範圍
虛擬實境之應用技術，作為輔助設計之運用工具。不論是建築、室內設計、空間設計、工業設計、視覺多媒體設計、景觀規劃甚至工業工程、車輛工程、醫學研究等等，皆是利用虛擬實境逐步邁向高科技之工作。
將目前所應用範圍作一整理如下：
|
應用領域 |
範圍內容 |
|
管理領域 |
文化中心、博物館、公園導覽、校園導覽 |
|
國防安全 |
國防軍事沙盤推演、模擬機設計應用 |
|
工商領域 |
工廠設施規劃、商業及學術研究開發、產品及市場服務簡報 |
|
醫學領域 |
外科手術規劃、醫學診斷與醫院教學 |
|
太空探測 |
太空人無重力訓練、地球科學研究與計劃 |
|
設計開發 |
工業設計、開發討論、產品原型製作展示 |
|
建築領域 |
城市規劃、建築空間感知、大型工程、橋樑工程模擬測試 |
|
遊戲開發 |
網路多媒體教學/訓練、 3D遊戲軟體應用 |
4.2
虛擬實境工具平台類別
虛擬世界即是由電腦所構建出來的模擬真實世界，依據不同的視覺產生方式（visualization）及使用設備的不同，所發展的平台式樣亦不相同。大略區分為四大類：
（1）. 桌上型虛擬實境（desktop vr） 為最經濟的虛擬實境系統，通常使用滑鼠、軌跡球、搖桿等設備做為輸入設備，並以一般個人電腦螢幕為輸出。從虛擬實境3i的觀點來看，並無法達到融入的效果。
（2）. 模擬型虛擬實境（simulator vr） 讓使用者在一特定的的操作環境中使用，以模擬操控真實機器的感受。一般應用在駕駛、飛行等訓練上，為最早發展出來的虛擬實境系統。
（3）. 投射型虛擬實境（projection vr） 使用大型投射螢幕配合數個投影機及立體聲音輸出裝置，將整個場景在使用者的周圍投影出來，形成一個環場的場景。
（4）. 融入型虛擬實境（immersion vr） 為所有虛擬實境系統中最昂貴、感覺最真實者。系統中需配有特定的輸出、入設備如頭盔顯示器（head mounted display，hmd）、3d滑鼠（fly mouse）、追蹤器（tracker）或資料手套（data glove）、立體聲音裝置、感官輸出裝置等，讓使用者可以有完全融入的感覺。 （資料來源：經濟部科發專案船舶產業E化中心）
4.3 國內虛擬實境工具平台趨勢
在目前我們能接觸到發展較成熟的有CYVIZ 3D立體投影系統、Vision Station融入式單槍投影全景180度虛擬實境展示平台、3D長距離雷射掃描器、Video Based 3D動作擷取分析系統…等。例如在天文台或科學博物館太空劇場以立體電影院藉由戴上3D眼鏡後所觀看到布幕上的影像有『浮出』的感覺，這是運用CYVIZ 3D立體投影系統。於北縣中和的『台灣世界宗教博物館』內有8米大的虛擬實境天幕，該展示視覺效果為360度環景，為虛擬實境展示平台中最大件。
下列舉出兩例為目前國內較多大專院校、工業技術中心使用：
（1）. 3D立體轉換器：
它可以將3D軟體的訊號轉換成高品質的3D立體視覺影像。利用『Stereo 3D Converter』將PC工作站內影像分割以雙投影機投射在布幕上，雙投影機原理為模擬兩眼球對焦，就能藉由觀看者戴上立體眼鏡產生高品質的3D立體視覺影像。
圖1 CYVIZ 3D立體投影系統設備流程
圖片來源：瑋特擬真科技公司
（2）. 虛擬實境展示平台Vision Station：
展示平台所強調為融入式的虛擬空間感，不同於一般以平面投映的動畫；此半球型螢幕的投影 (DOME)，為仿作眼球弧度，180°視角，半球形螢幕視野更廣，更符合人眼特性，觀看效果身歷其境。在使用上，有各種尺寸大小從1-2人(如圖2)、5-10人、到台灣世界宗教博物館的8米半可收納更多人觀看的平台(如圖3)。而使用上維護容易，可具移動性，因此，適合作為產品展示。
五、 虛擬實境在建築領域上的研究
從八十年代起，國內開始有對虛擬實境的相關領域研究，最初為數學及電算機科學演算，之後應用於工程學類的為最多，另外如醫藥衛生學類、藝術學類、教育學類、建築及都市規劃學類…等，朝各領域發展。虛擬實境燈光照明、應用以上所提及的設備使虛擬實境有效達到使用者身歷其境的同時，許多議題也由此爾生，例如：『如何證明身歷其境的效能？』為了使感官達到身歷其境因此有部分的研究也是從對使用者感知中調查；另外比如『如何令使用者有身歷其境的存在感？』、『如何以虛擬實境演算協助安全危險的大型工程？』；下列各整理一篇探討使用者感知介面與探討利用虛擬實境以幫助實質工程技術運作。
|
楊凱鳴 |
虛擬實境CAVE系統之身體使用者介面，交通大學建築研究所，2004 |
|
|
探索如何藉由身體的移動(body movement)來增加使用者在虛擬實境CAVE系統(VR-CAVE)裡的存在感(sense of presence)。突破設計師在常使用的固定路徑動畫，借由透過輸入裝置來瀏覽虛擬環境以呈現存在感的增加能讓非建築專業領域的使用者更融入虛擬環境內，讓空間的內容能更清楚的被闡述出來。 |
|
許家宏 |
虛擬實境技術於工程教育訓練之應用－以橋梁工法為例，台灣科技大學，營建工程研究所，2004 |
|
|
利用虛擬實境之技術，則可提供受訓人員一個可融入的虛擬工地場景，除讓受訓人員可有親臨現場的體驗外，更可讓受訓人員自由地於時間、空間中遊走。以虛擬實境技術所建構之融入式與互動式的學習環境，將具有最佳的教育訓練效果，應為未來發展的趨勢。 以3DS MAX建置場景與製作物件模型，並以OpenGL開發虛擬場景之編輯環境與互動式平台，配合投射式立體顯示設備，建置了沉浸式與互動式的虛擬橋樑工法教育訓練環境。 |
網站參考：
﹝1﹞. 虛擬實境展示平台介紹 http://www.elumens.com/
﹝2﹞. 經濟部科發專案船舶產業E化中心 http://www.ship.org.tw/vr/index.asp
﹝3﹞. 瑋特擬真科技公司
﹝4﹞. 皮托科技股份有限公司
文獻參考：
﹝1﹞. 皮托科技股份有限公司 VISION STATION 教育訓練講義，2003
﹝2﹞. 林承陽，3D雷射掃描在歷史建築數位模型之建構-以台北市大龍峒保安宮為例，碩士論文，國立台灣科技大學建築研究所，2003
﹝3﹞. 許家彰，實體與擬真空間之心理感知差異性探討－以商業展示空間為例，碩士論文，大葉大學設計研究所，2004
﹝4﹞. 李汪曄，李元兵，伍永康，莊榮宏，歐陽明，虛擬實境的核心技術與未來趨勢，國立交通大學資訊工程研究所