建築設計-虛擬實境的應用

一、前言

近年來媒材的改變，不但改變了以往對地域與時空的經驗，帶動起虛擬空間的議題，不僅建築理論對於空間性的探討，擴及至不同的空間型態，而不再侷限物質世界實體空間的創造（Lin,2001；黃千溥）

二、虛擬實境的定義：

戴呈宜(2002)將虛擬實境、虛擬世界、 虛擬空間、 虛擬環境做不同的詮釋，虛擬實境指至今仍在發展中的電腦科技；虛擬世界則指利用虛擬實境技術所建構的世界，而這個世界就像真實世界一樣豐富；虛擬空間同指利用虛擬實境技術所建構的三度空間，而這個虛擬空間（virtual space）不像虛擬世界這樣廣大，偏向指稱單一或經過連結的少數場景；虛擬環境（ VirtualEnviroment; VE）是指利用虛擬實境技術所建構的環境，所指的是一種由真實學習環境延伸的虛擬學習環境。Sherman & Judkins（1995）將虛擬實境給予不同的詮釋名詞，「合成實境」（synthetic reality），「合成世界」（synthetic worlds），「想像世界」（imaginary worlds），「概念實境」（conceptualreality），或者稱為「電腦實境」（cyberreality）。

戴呈宜(2002)透過以上的詮釋，將虛擬實境定義（virtual reality）為統一名稱，其英文由來是由VPL Research公司的創辦人Lanier 所提出來的，意思就是一個無中生有的環境，但是讓人覺得跟真實環境一樣（陳瀚昇，1996）。虛擬實境提供使用者三度空間的即時互動經驗，而非只是一觀察影像的環境(Walker, 1990)。

范揚錚（2002）指出關於虛擬實境(Virtual Reality)一詞，目前並沒有一個絕對的定義，Howard Rheingold(1991) 將虛擬實境定義作一種人被三度空間電腦繪圖環境包圍的體驗，而且使用者可以在其中任意遊走，改變視角，抓取物品，或是更改其型態。范揚錚（2002）將虛擬實境可以定義為一個包圍觀賞者而且具有立體顯示(stereoscopic display)能力的即時(real-time)電腦繪圖環境，觀賞者在此環境中可以行走，觀看，並會有重力及碰撞等作用。林志勇、黃維信、宋文旭、許峻嘉（2006）指出虛擬實境是一個無中生有的環境，但是卻可以讓人覺得跟真實環境一樣。簡單的說，它必虛是由電腦所產生的，必須是一個3D的立體空間，使用者可以依個人意志自由的在這空間中遊走，而且可以和這個空間裡的物件產生互動，使用者會在不知不覺中融入這個虛擬世界。因此，本文將虛擬實境定義為，利用電腦軟體技術建構三度空間，創造一個無中生有的環境，讓觀看者成為事件的參與者，讓原本虛幻的想像空間轉化為真實的環境，虛擬實境系統並整合了繪圖、聲音、影像、動畫及相關的週邊設備，是一種可讓使用者的視覺、聽覺、觸覺能與機器互動的人機介面。

虛擬實境定義

資料來源：吳世光，2003

由以上專家學者之定義，可以知道由構成要素的角度定義，要讓人感覺到虛擬實境的真實性，使用者就好像是模擬系統的一份子，而模擬的逼真度，便是取決於人的感官系統，即虛擬實境所必須具備三大要素：想像性（Imagination）、互動性（Interaction）、沉浸性（Immersion）、想像力（Imagination）。

　

IMMERSION

INTERACTION

IMAGINATION

I3

 

圖1.1  虛擬實境的三個I

資料來源:  Burdea & Coiffet, 1994

想像性（Imagination）：虛擬實境是由電腦模擬所產生的影像，場景設計者除了提供逼真的畫面外，還可透過創意帶給使用者生動有趣的感覺。而使用者也要去享受虛擬場景所帶來的聲光效果，想向自己就是置身在這個虛擬空間中，這樣才有辦法進一步的與虛擬場景做互動。

互動性（Interaction）：在模擬場景中光只有看，還無法完全達到你真的效果，如果是勇者能與虛擬場景中的物體做互動，會更有真實的感覺。當電腦接收到使用者的一舉一動後，即使的給予適當的反應，這樣擬場景便具備了互動性。

沉浸性（Immersion）：在模擬的場景中，人類使以感覺器官來體驗擬真的感覺，除了及時性的互動外，還可透過各種不同的虛擬實境周邊設備來滿足感覺器官的感受，進一步讓使用者融入期中。

三、虛擬實境系統的分類：

在虛擬實境系統的分類上，主要可使用模擬系統的投影產生方式及場景製作方式分類，若以投影產生的方式，可蓋分為四大類：

(1)       桌上型虛擬實境系統：以個人電腦配備為主。

(2)       模擬型虛擬實境系統：此類的模擬系統，大部分是以實體設備進行改裝，或是至做出與實體一模一樣的操作環境。

(3)       投射型虛擬實境系統：其他種類多為一至二人使用，若要提供多人使用，可以以投射型虛擬實境系統。在依個特性的密閉空間裝置立體音效，並將場景投射至四周的大型投影螢幕上，使用者可以戴上立體眼鏡，便可直接體驗。

(4)       融入型虛擬實境：使用時必須穿戴各種週邊設備，如頭帶式顯示器、資料手套、位置追蹤器、立體音效裝置及其他感官裝置等，讓使用者可以完全的融入。

四、虛擬實境系統的建構方式：

主要可區分為幾何式虛擬實境、影像式虛擬實境、混合式虛擬實境及擴張真實。

(1)       幾何式虛擬實境：場景的建構主要是利用幾何模式建構工具，如：3D MAX/VIZ、Maya、AutoCAD、Solid Works、Pro/E等等，依模擬系統的規劃，建構所需的虛擬場景。在透過虛擬實境編輯軟體（EON、WTK..等）的功能，賦予不同物件不同屬性。這類最大的特色，就是使用者可以自由遊走於虛擬空間中，並與虛擬場景裡的物件做互動。

(2)       影像式虛擬實境：此類方法採用實景拍攝是不錯的方式，透過相機及影像式的虛擬製作軟體，便可以在短時間內製作最真實的環景虛擬場景。

(3)       混合式虛擬實境：首先使用影像拍攝方式，先製作一個環景的影像做為場景的背景，然後在將場景中加入原本不屬於該場景的物件，再透過一些簡單的程式語言做控制，賦予物件不同的屬性以與使用者產生互動。

(4)       擴張真實式虛擬實境：強調的是使用者完全的融入由電腦所創造的虛擬環境中，當使用者在虛擬環境中時，是無法看到其他周遭現實環境的影像。

五、虛擬實境應用在建築設計上：

在80年代關於建築問題的處理上，透過先進的電腦繪圖系統Brooks (1986)建立一棟新建築物的電腦模型，並利用繪圖系統所提供的視覺模擬功能讓使用者任意更改觀察的視角、控制行走的速度與移動方向，且能夠產生連續的動態畫面。

Wong 與Will (1996)針對傳統表現媒材在即時顯現與快速回饋的缺失，設計一個超環境模型(hyper model environment)，此環境模型可以即時地顯示虛擬實境並與環境進行互動。透過這個系統，使用者可以即時地改變建築量體大小、位置與方向。透過這個環境模型設計者與業主可以很快地看到陽光對量體產生的陰影變化，因此可以節省雙方在溝通上所耗費的時間，在解決方案及初期設計決策階段的過程中扮演良好的角色。也因為VR 的高互動性，使得設計者得以進入所設計的空間中並掌握大致的空間感，而讓設計者更能專注於細節的處理及掌握(Campbell & Wells, 1996)。Pinet(1997)使用VR 模擬的特性來評估建築師和業主在評估設計提案時 (design proposals)的可能性，並提出三組可相互對照驗證的實驗。

以虛擬實境進行視覺模擬可作為設計評估之參考，例如：施工現場因設計不同導致額外花費，模擬或可先行發現問題。在設計階段溝通方面，數值或視覺化的模擬結果可促使參與不同專業團體間的整合。

因此，藉由虛擬實境模擬的目的為：

(1)       審視設計：在建構實務前預視其外觀，以瞭解外型、顏色、配置等項目之事當組合，或變更外觀以觀察、評估設計替選方案。

(2)       觀察構建間關係：檢查幾何體構建間是否契合、如何分解，是否有接觸、碰撞情形。

(3)       檢查建造可行性：檢查是否符合設計規範、應力負荷、熱傳倒率需求，構建是否能有效率建造。

(4)       估算：預估造價、體積、面積、工時、複雜空間斷面。

(5)       展現物理性：展現物表反射光源情形、物表性質（如光滑度、透明度）

(6)       表達藝術性：純粹為藝術性的視覺化呈現。

虛擬實境在建築相關領域均有應用研究與實例，施乃中（2003）列舉個人研究實例：

(1)       既存實體視覺化。

(2)       都市環境模擬：以既存在的都市與建築為對象之實體數位化，甚至可以改變環境條件。

(3)       歷史建築：例如建築裝飾構件之數位在現。

六、結論：

虛擬環境的出現提供了一個比紙筆測試更為有力的媒介來測試大尺度的空間能力，對於設計者，能夠發輝更大的想像與創意，進行創造的可能性，並且藉由虛擬實境的應用，達到設計者對於概念上的掌握。在認知行為上，藉由虛擬實境的應用，可以探討專業設計上專家與生手空間感知的差異；藉由虛擬實境，我們可以更容易的將設計概念傳達給業主，達到溝通的效益。

參考資料（按姓氏筆畫）：

(1)       邱茂林，2003，數位建築發展，田園城市文化事業有限公司。

(2)       林志勇、黃維信、宋文旭、許峻嘉，2006，認識虛擬實境，全華科技圖書股份有限公司。

(3)       吳婉寧，2006，虛擬實境之空間敘事性研究－以VR-CAVE為例，國立交通大學建築研究所碩士論文。

(4)       吳世光，2002，發展影像式虛擬實境及其在觀光產業上應用性之研究， pp.109-125，觀光研究學報。

(5)       范揚錚，2002，虛擬實境CAVE軟體的模組化開發方式，國立交通大學建築研究所碩士論文。

(6)       楊健則，2002，幾何形體與特殊形體的空間感知-以虛擬實境探討專家生手的空間感知差異，國立交通大學建築研究所碩士論文。

(7)       楊裕富建築數位教學網，http://www.yuntech.edu.tw/~yangyf/hh/index.html

(8)     

http://doctor_c.caece.net/mute/cae/1vr.html