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作者:葉欲 (2000-01-22),核可:徐業良 (2000-05-15)
附註:本文為申請國科會八十九學年度「三維虛擬設計環境的建構」計畫書。

三維虛擬設計環境的建構

一、研究計畫簡介

在機械設計過程中,工程圖是設計者非常重要的工具,工程圖以圖像方式記錄設計,提供設計者視覺上的參考,以構思、檢查、驗證其設計,並可據以與其他設計者乃至於製造、組裝人員溝通設計概念。設計物件的視覺表現由手繪工程圖、二維電腦繪圖、到三維實體模型,但都仍然是在二維環境下表現設計物件。

“虛擬設計(virtual design)”的概念,乃是身處於虛擬環境中,利用虛擬實境技術從事設計的工作,設計者可融入於虛擬環境之中從事組裝虛擬物件之構成元件、操作各種設備及與虛擬物件產生互動。本研究的目的即是在建立一個具有景深且具一般性之三維虛擬設計環境,在此環境中設計者對設計物件的觀察與互動方式,均與真實物件完全相同。

本研究分成二個階段,預計完成具有互動性且能提供多設計者合作設計之虛擬設計環境。第一階段先著重於單一設計者互動性虛擬設計環境的建立,其工作項目包含軟硬體設備評估選用、虛擬設計環境建立、設計者使用介面設計及系統整合測試等。第二階段將延續第一階段之研究成果,將其技術推展到多設計者設計環境的建立。此種設計環境包含兩種模式:一為同一空間設計者設計環境,一為不同空間之遠端網路設計環境,其工作項目則包含感知硬體及遠端伺服器等硬體的評估選用、設計者互動設計及通訊介面的設計等。

二、研究計畫之背景與目的

在機械設計過程中,工程圖是設計者非常重要的工具,工程圖以圖像方式記錄設計,提供設計者視覺上的參考,以構思、檢查、驗證其設計,並可據以與其他設計者乃至於製造、組裝人員溝通設計概念。早期設計者以徒手繪製工程圖,繪製所需時間長。1962Sutherland[1963]首先發展出一繪圖板系統,證明在陰極射線管螢幕設備上從事繪圖與編修的可能性,從此電腦繪圖技術開始快速發展。設計者利用電腦繪圖軟體,能夠方便且快速地繪製工程圖,且電子資料的保存與共享也更為便利。然而在這個階段仍然是以二維三視圖來表達三維物件,較複雜的形狀與曲面的表達仍然相當不直覺。

1970年代開始,電腦繪圖系統提供了三度空間線架構的功能,設計者在電腦螢幕上繪製的工程圖,不再是單純的二維平面圖,而是可看出該實體構造的立體圖。而在1980年代,由於新興的繪圖理論與演算法的提出,立體模型由線架構演進到面架構而呈現出一具實體的模型,同時亦可貼上材質、定義所具有的屬性如質量等,呈現出更真實的三維實體模型(solid model),並可與電腦輔助分析與電腦輔助製造做資料共享。實體模型的呈現,讓設計者在設計過程中對於其所設計物件可以做更有彈性的視覺表現,可以透過對實體模型的平移、旋轉,隨時在不同距離、不同角度來觀察此設計物件。然而在建構實體模型的電腦輔助設計系統中,設計者依然是透過二維的電腦螢幕來觀察三維物體,與此設計物件也不能直接互動,而必須透過電腦鍵盤、滑鼠的操作產生間接互動。

近年來,由於虛擬實境相關軟硬體的技術較為成熟,其在工程設計的應用亦逐漸普遍。Lee[1999]提出“虛擬設計”的概念,乃是身處於虛擬環境中,利用虛擬實境技術從事設計的工作,設計者可融入於虛擬環境之中從事組裝虛擬物件之構成元件、操作各種設備及與虛擬物件產生互動。Lee指出此設計模式的目的有下列幾點:

1.直覺且自然的作動:在幾何模型製作系統中,雖然其提供良好的建構模型工具,但設計者與模型之間的互動受到限制,而設計者在螢幕上所看到的幾何模型構造有限,且其輸入裝置則受限於使用滑鼠。因此,藉由虛擬實境技術在設計上的應用,將可提供設計者在設計過程中更具自由度與創造力。

2.產品之體現:將設計的產品在設計過程之初利用幾何模型呈現其實體構造,而在虛擬環境中,可在各個角度觀察該模型或進入模型內部觀看其構造,亦可進行物件組裝之操作。

3.技術性資料的保存:藉由虛擬設計的過程,可將整個設計過程中的組裝或製造等的專家技術記錄下來,通常這些技術多為不易了解與難以形式化。透過虛擬設計系統,則可顯示出其虛擬物件間的相對位置、互動關係及組裝操作的次序。

在美國已有幾項案例將虛擬實境技術應用在特定領域之工程設計中,如波音公司在設計噴射客機時,先以繪圖軟體建構與編修客機實體模型,在運用虛擬實境技術將該模型呈現在三度空間的虛擬環境中,用來探討飛機零組件的組裝性、可製造性與其性能的模擬。圖1為克萊斯勒公司在設計其汽車內部構造時,應用虛擬實境軟硬體及虛擬設計的概念從事設計。該公司的設計人員坐在具有座椅、操縱桿及腳踏板的汽車內部平台中,戴上虛擬顯示系統來觀看汽車內部各項元件如儀表板,並藉由資料手套及追蹤器的使用反應操作人員的動作。由於汽車內部乃由虛擬模型所建構完成,因此設計者可以輕易的改變設計方向,例如車內的配備及裝潢等都可依不同需求而改變。

1 汽車內部的虛擬設計[Lee,1999]

Billinghurst等人[1998]提出利用虛擬實境技術之共享空間概念,以虛擬實境技術為媒介,強化設計物件與設計環境表現之真實性,作為電腦輔助合作工作(Computer Supported Collaborative Work, CSCW)之環境。在其所建構之設計環境中,設計者透過顯示系統所看到的乃是將虛擬物件覆蓋在真實的環境中,而不是將設計者融入虛擬環境而脫離真實的工作環境。圖2為共享空間中的系統配置與設計者所看到的視野。

2 共享空間配置與設計者之視野[Billinghurst, et al. 1998]

由以上討論可知,設計物件的視覺表現由手繪工程圖、二維電腦繪圖、到三維實體模型,都仍然是在二維環境下表現設計物件,再下一步的發展必定是運用虛擬實境技術建立一三維之虛擬設計環境。本計畫的目的即是在建立一個具一般性之三維虛擬設計環境,在此環境中設計者對設計物件的觀察與互動方式,均與觀察真實物件完全相同。具體要達成的事項有以下幾點:

1.具一般性之設計環境:有別於前述波音公司與克萊斯勒公司,針對特殊領域設計應用的案例,本研究嘗試建立一個具一般性之設計環境,能夠適用於所有設計物件,特別著重在與現有三維實體模型電腦輔助設計系統之整合。

2.具有景深的設計環境:在此三維虛擬設計環境中,設計者不再是透過二維電腦螢幕來觀察設計物件,設計物件在此具有景深的設計環境中,以三維的方式表現,設計者必須在此設計環境中移動,以便由不同距離、不同角度來觀察此設計物件。

3.有直接互動性的設計環境:在此設計環境中,設計者不再是透過電腦鍵盤及滑鼠與設計物件產生間接互動,而是利用各種感官知覺裝置,設計適宜之使用者操作介面,讓設計者與設計物件之間有如與真實物體一般直接式互動。

4.可有兩位以上設計者共同參與之設計環境:在此設計環境中,可有兩位或多位設計者參與整個設計過程。兩位設計者雖然同時觀看同一物件,但是不同位置的設計者所看到物件影像也有所不同,而ㄧ設計者所引發的事件或其動作也將被另一設計者所觀看,即設計者之間亦具有互動關係。藉由此種特性,設計者可依其所見之物體影像與其他設計者討論,有如設計者們同時就真實物體討論其設計。未來則可以推廣到網路上,設計者不須在同一空間,同樣可以作設計上的溝通與互動。

3為本研究欲建構之虛擬設計環境示意圖。整個虛擬設計環境包含了虛擬物件、虛擬環境及視覺裝置、資料手套與空間感測器等硬體。設計者可藉由電腦繪圖軟體建構所需之3D實體模型,並匯入虛擬設計環境中,透過戴上視覺裝置觀看虛擬世界中的環境與物件,同時藉由資料手套的用,讓設計者可以與虛擬物件產生互動如按鈕、抓取等,亦可引發出聲音、把虛擬物件分解成各部份組件或將較微小的物件放大其比例以利觀察其構造。而追蹤器的使用,乃是為了偵測其身體在真實空間的運動,以反應出觀看的景象及身體部位的動作。

3 虛擬設計示意圖

在虛擬設計環境中,除了單一設計者進行設計外,亦可同時有兩位甚至多位的設計者參與整個設計過程。在圖3中有兩位設計者頭帶著視覺裝置觀看同一個虛擬物件,設計者A與設計者B所看到的虛擬物件景象會依其所在位置不同而不一樣。而在此種設計環境中,設計者A將可觀看到設計者B與物件的互動或事件的引發,並共享虛擬環境中的任何資料,藉由不同的觀察點對虛擬物件進行設計上的溝通,是為一種共享設計空間的設計模式。

經由上述的討論可以了解到,設計環境由透過二維電腦螢幕觀察三維物體,演進到利用虛擬實境技術在具有景深的環境中從事設計工作,且與設計物件具直接互動關係。整個虛擬設計環境也將由單一設計者設計環境演進到兩位以上設計者共同參與之設計環境,在未來則將發展至設計者不須在同一設計空間,透過遠端網路模式即可從事具互動性的設計工作。

三、研究計畫之方法

本研究分成二個階段,預計完成具有互動性且能提供多設計者合作設計之虛擬設計環境,整體工作項目流程如圖4所示。第一階段首先著重於單一設計者互動性虛擬設計環境的建立,第二階段則擴展到多位設計者合作設計環境之建立,包含設計者在同一空間及利用遠端網路伺服器,讓設計者身處遠端亦可從事設計與互相溝通等兩種設計模式。

4 整體工作項目流程圖

第一階段的研究中,共可分成軟硬體設備選用、虛擬設計環境建立、設計者使用介面設計及系統整合測試四大工作項目。首先針對設備功能、擴充性及成本的考量,選用適宜的虛擬實境軟硬體設備,接著著手建立所需之虛擬設計空間,設計物件則是由設計者利用一般CAD軟體建構,轉換其格式並匯入設計場景中。為達到設計者在設計環境中的互動性,將利用感官裝置完成設計者使用介面的設計,此項工作則分成兩部份,一是利用顯示裝置與追蹤器的搭配,同時配合程式撰寫碰撞事件的檢測,達到設計者在設計空間中正確的移動。另一項工作則是設計者與設計物件的互動關係建立,利用資料手套與追蹤器的搭配作手部動作設計,亦利用程式的撰寫定義物件屬性與互動關係的建立。最後,針對設計者的空間移動及互動行為作整體的測試與必要的修正。

第二階段的研究中,將延續前一階段之研究成果,將其技術推展到多設計虛擬者設計環境的建立,分成設計者在同一空間之設計環境與設計者在遠端之網路設計環境兩部份。同一空間設計環境部份,針對多設計者所需之設備加以添購,並進行設計者之間的互動設計與測試。而在遠端網路設計空間方面,將架設伺服器及設定使用者網路通訊介面,以提供資料更新及訊息傳遞之用,最後則進行設計者遠端登錄進行設計之測試。

四、研究計畫之進行步驟

在探討三維虛擬設計環境研究的方法之後,本節將針對單一設計者設計環境的建立與多設計者設計環境的建立兩階段中所要執行的工作項目做進一步的說明。

4.1 單一設計者設計環境之建立

第一階段之工作項目包含軟硬體設備選用、虛擬設計環境建立、設計者使用介面設計及系統整合測試等四項,其工作流程如圖5所示。茲對各項工作之細節說明如下:

5 第一階段工作流程圖

4.1.1 軟體設備之評估選用

此項工作主要目的乃完成所需之軟體與硬體的採用。針對其所具備之功能、擴充性及成本為考量,選取一套以PC為工作平台且功能完整的軟體。而一套較為完整的虛擬實境軟體所需具備的功能約有下列幾項:

1.圖形介面:此為該軟體是否具有視窗式介面,對於圖形資料的讀取與管理、模型的建立與編修及物件的物理特性等,能夠提供使用者使用上的方便性。

2.主從關係:在物件模型建立完成,並轉換至虛擬軟體中時,物件模型之間並沒有關連性。而主從關係的建立,意味著物件之間具有互動的關係。此關係對於整體模型作動時的要求有相當的影響性。

3.模型編輯:虛擬世界中的物件,可為單一模型形成,亦可由數個模型組合而成。這些實體模型的建構,可由虛擬軟體本身或是藉由其他模型編輯器建構而成。

4.程式語法:當模型在虛擬實境軟體建立完成時,模型物件是靜止狀態,若要使其作動,就必須藉由虛擬軟體的相關語法使其作動。

5.物理特性:在虛擬實境的系統中,物理現象算是最難模擬的現象。通常必須利用一些物理定律,並將物理現象轉換成方程式形式,方能加以應用。

虛擬實境軟體所強調的功能為實體模型、影像聲光效果及物件互動關係的整合,這些功能的完整性,往往能夠決定所呈現之虛擬場景的真實度。因此,如何選用一套功能較完整且具親切的操作介面,實為建構虛擬場景的一個重要課題。

目前市面上功能較為齊全的軟體有:Division公司所設計的dVISESense 8公司設計的WorldToolKit(WTK)Superscape公司設計的Superscape VRT等三套虛擬實境軟體。以下則針對這三套軟體做介紹與比較:

 

 

1.dVISE

此軟體是一套可在工作站UNIX作業系統或個人電腦Windows NT作業系統下操作的虛擬實境軟體,其主要結構分成:dVS Geometry TooldV/RealitydVISE DeveloperdVS Developer等。因軟體本身不具有模型編輯器,故使用者須透過CAD軟體,如AutoCAD3D StudioPro/E等軟體,建立所需之物件模型,再透過dVS Geometry Tool將物件之3D幾何模型(Geometry)、材質(Material)、及貼圖(texture)轉換進入虛擬實境之場景中。接著利用dV/Reality來編撰動畫、聲音、物件位置及大小、物件行為(Event-Action)與物件碰撞狀況等各種屬性。

2.World Up

其是一套在個人電腦Windows NT作業系統下執行的虛擬實境軟體。使用者可利用World Up Modeler來建立自己所需的物件,亦可利用其他CAD軟體,如Pro/EAutoCAD3D Studio等建立物件,經由World Up Modeler將其轉換成NFF圖檔,透過呼叫WTK函式庫的方式進行編譯成為執行檔。

3.Superscape VRT

VRT是一套在個人電腦之DOS作業系統下所使用的虛擬實境軟體。主要包含下列部份:Shape EditorWorld EditorVisualiserLayout EditorTexture EditorSound EditorResource Editor等諸多項目。使用者可將CAD模型利用DXF Converter轉換成DXFVRT格式檔案,亦可利用軟體本身的Shape Editor功能自行設計所需之物件模型。藉由World Editor之功能將所設計的物件模型安排至虛擬實境環境中,並設定物件的基本行為、與其他物件的從屬關係及使用者所在的位置與方位。Texture Editor Sound Editor則可以設定物件的材質與聲音之基本屬性。最後,若有特殊屬性或行為,可利用軟體本身提供的SCL(Superscape Control Language)語言來做設定。

藉由對以上三種虛擬實境軟體的概況介紹,可以做出對於各軟體的圖形介面、設定關係(是否需撰寫程式)、模型編輯器、作業環境、程式語法以及使用方便性等項目做比較,如表1所示。

1. 虛擬實境軟體比較表

 

dVISE

World Up

VRT

圖形介面

關係設計程式撰寫

模型編輯器

作業環境

Unix & NT

NT & Windows95/98

DOS

程式語法

自定語法

語言

自定語法

使用方便性

簡單

較困難

尚可

整體系統成本

由於模型建立、屬性設定、虛擬場景彩現等乃為虛擬軟體之基本功能,因此對於研究的需求而言,軟體上手容易與否、操控物件的簡單性、語法簡易度,亦成為選用軟體的另一項重點要求。

由表1對於虛擬軟體的比較中,明顯看出dVISE在使用上雖最具方便性,但其所支援的作業環境平台有限且擴充性較差,而整體系統的價格較昂貴。World Up軟體所支援的作業系統較多,如Windows95/98Windows NTPC平台,較具擴充性。此外,其互動關係與物件屬性的設定雖以撰寫程式完成,是較為不便且不易上手的方式,如此卻有一個好處,若是程式撰寫較縝密者,相對的物件的行為也較細膩與真實。因此,在成本、擴充性及虛擬設備支援性的考量下,Sense 8World Up軟體是較符合研究設計的需求。

4.1.2 感知硬體之評估選用

為了讓使用者在虛擬世界中能夠感受到極近似真實世界中的各種感官知覺,因此必須利用各種互動感知設備來達到這項要求。這些硬體設備概可分為立體視覺裝置、立體聽覺裝置及意念輸入裝置。以下則分別簡述之:

1.立體視覺裝置

由於在真實世界裡,人們雙眼所見的畫面是立體3D畫面,所以VR系統的立體視覺裝置也必須具備立體顯像功能,使操作者能有真實的視覺感受。立體顯像裝置可分成兩大類:第一類為雙眼立體顯像方式(Binocular Stereoscopic),操作者必須戴上特殊的視覺裝置來產生立體效果。第二類為自動立體顯像方式(Auto Stereoscopic),操作者不必戴上任何裝置就可以產生立體感覺。這兩種立體視覺裝置都必須利用光電技術來達成。

2.立體聽覺裝置

在真實世界裡,人類接受到的聲音是具有三度空間的音源。亦即可以清楚的判斷某一個聲音是從三度空間的哪一方位傳來的,以及判知聲音將往何處傳播,所以,虛擬實境系統必須給操作者聲音的真實感受。VR系統藉由音效卡與音效模擬程式,對左右輸出設備輸出不同的聲音訊號,如聲音的時間差、強度的不同、音頻響應值的差異等等音差參數,再加上虛擬的反射音源,使操作者可以感受到聲音是來自前後、左右或是上下的某個方位傳播而來。所以,在虛擬世界中,聲音不再是傳統的左右平面音效而已,而是讓使用者感受到三度空間的立體音效。

3.意念輸入裝置

如果一套虛擬實境系統僅僅只是提供3D立體視覺、3D立體音效,那麼這種VR系統僅能稱為被動式的VR系統,無法讓操作者主動參與情節以及操控事件的發展。因此,為了提升更真實的境界,滿足人們〝意念〞的需求,必須有一些感測器裝置來偵測人們內心意志與外在表像。

較常利用的意念輸入裝置有追蹤器(Tracker)及資料手套(Data Glove),分別簡述如下:

a.追蹤器(Tracker)

追蹤器是一種感測元件,通常是附在其他VR設備的內部搭配使用。其目的是為追蹤人體某部份的六個自由度運動情形,分別為XYZ平移位置,以及YawPitchRoll旋轉角度。追蹤器的基本架構分為三部份,分別為發射源、感測器與訊號處理器。發射源固定在空間中某一個位置,感測器則是放置在人體某部位,如頭、手足等部位。而透過訊號處理就可以偵測該部位所在的空間座標。

b.資料手套(Data Glove)

資料手套裝置則是要偵測出操作者的手指彎曲狀況,而完成某些特定動作或行為,目前較普遍的感測方式有四種,分別為光纖式、應變計式、電阻式即機械式。

光纖式:它在手套每根手指上裝有光纖,光纖內有光現通過,當手指彎曲時導致光線逸出光纖,光通量發生改變,因此手指彎曲度可以立刻獲知。手套上端另貼有一個磁場式追蹤器,用來偵測整個手掌平移與旋轉的變化。

應變計式:在手套每根手指上貼兩片應變計,當手彎曲時,其電阻值會有所不同,再利用橋式電路偵測電流改變量,即可獲知手指彎曲情形。此裝置價格較高,但其穩定度較光纖式佳。

ƒ電阻式:同樣在手套的每根手指貼上彎曲可變電阻元件,當手彎曲時將導致電阻值改變,因而手指彎曲度可以立刻算出,手套上端附有一個超音波追蹤器。此種資料手套價格最便宜,不過精度最差。

機械式:其利用編碼器與機械聯桿來偵測手指彎曲度。不過機械式配帶起來較為笨重不便,但精度、解析度以及感測反應速度都優於前三者。機械式手套若與具力回饋裝置相結合,可讓操作者在VR世界裡端起一杯咖啡時,手指會感覺到杯子的邊緣,而且必須施力才能端起杯子。

互動感官裝置使用的目的在傳達使用者意欲的行為,並與設計物件之間產生互動。藉由上述的討論可以獲得感知硬體的相關資料,藉由對其特性的了解並選用本計畫所需的感知硬體。

4.1.3 虛擬設計環境的建立

在虛擬實境軟體評估選購完成後,將可進行虛擬設計環境的建立。由於虛擬場景中的物件均為實體模型,因此,建構場景的第一步即是利用CAD軟體建立設計空間模型、貼上適當的材質,而後轉換格式匯入虛擬軟體中並作模型物件位置之配置,如此則完成虛擬設計空間的建立接著即把所建立的設計物件模型轉換格式並匯入虛擬實境軟體,對其位置做適當的擺置,虛擬設計環境建立的工作至此已大致完成。

虛擬場景的彩現是幾何模型經過電腦即時運算而呈現,而畫格速率(frame rate)的多寡則代表彩現的好壞。所謂畫格速率係指每秒鐘所能呈現的影像數,其標準值為每秒30張畫面。畫格速率對於畫面呈現而言,代表順暢與延遲,對於人類的視覺感官而言,則有真實與虛假的分別。虛擬實境所強調的想像空間,除了場景物件的真實性,其即時彩現後的順暢與否也具有相當的影響,因此畫格速率表現是否良好,將是在虛擬場景建立後所必須關切的課題之一。

4.1.4 設計者使用介面設計

設計者使用介面設計乃是選用適合本研究所需之感知硬體設備,利用各個設備所具有的特性作互相搭配的設計,使之成為設計者與設計物件之間產生互動的介面,同時藉由程式的撰寫來定義物件屬性、事件引發及互動關係。所使用之感知裝置在虛擬軟體中皆以感測器形式定義之,並可將其連結至模型物件上,如資料手套可以ㄧ手模型代表之。本階段的工作分成兩部份,包含設計者空間移動設計與設計者與物件間之互動設計兩部份,茲分別將此兩部份簡述如下:

1.設計者空間移動之設計

為了讓設計者能夠觀看虛擬設計環境中的景象,將先完成顯示裝置的裝配與調整顯示模式。由於顯示裝置與空間追蹤器皆具有感測裝置,不同處在於前者僅具有旋轉自由度,後者則具有旋轉、平移等六個自由度,因此在搭配設計上則完全利用空間追蹤器之自由度作為感測裝置,並裝配空間追蹤器且作必要的校準如訊號傳輸速率。

在完成顯示裝置與空間追蹤器的裝配與設定後,則著手於兩項設備的搭配設計。由於利用空間追蹤器作為感測裝置,因此設計方向為將空間追縱器貼附於顯示裝置上,藉由設計者戴上顯示裝置在設計空間移動時,空間追蹤器可感測設計者之位置並傳遞至電腦作判斷,而電腦將其反應傳遞給顯示裝置,設計者在虛擬設計環境中的觀察點亦產生移動,此即是將真實的行為反應至虛擬世界中。此外,為了避免觀察點有穿透虛擬物件的情形發生,將利用程式的撰寫作物件間之碰撞檢測,作為事件的引發如警告聲,確保設計者空間移動的正確性。

2.設計者與物件間之互動設計

此項工作乃利用資料手套與空間追蹤器作搭配設計。由於手部的關節部份較多,相對的動作較為複雜,因此,先將資料手套以手部模型代表之並進行各關節的校正,每一關節則代表一個物件。並對所要使用之空間感測裝置作裝配與校正。

如同顯示裝置一般,資料手套同樣具有感測裝置且僅具旋轉自由度,因此,在搭配設計上亦利用空間追蹤器作為感測裝置,並貼附於資料手套上。本項工作除了感測設計者手部的行為動作外,最主要是完成設計者與設計物件間之互動關係的設計,而手部行為設計方法則類似於設計者空間移動之設計方法。在互動關係建立方面,則利用程式的撰寫定義手部模型關節物件與設計物件之間的碰撞關係,藉以引發物件的連結或事件的產生,如抓取、聲音等。

4.1.5 系統整合測試

在完成虛擬設計環境建立及設計者使用介面設計兩項工作後,則進行整合性的測試工作,將由虛擬實境之真實性、設計者操作介面等二方向進行系統測試,茲將測試工作簡述如下:

1.虛擬環境之真實性

設計者利用一般的CAD軟體製作一個具組合性之設計物件,轉換格式並匯入虛擬設計環境中。透過顯示裝置來觀看設計環境與物件,感受其真實性是否過於不真實,必要時則對模型物件外型、材質等屬性作修正。

2.設計者操作介面

設計者同時顯示裝置及資料手套在實際空間中遊走,透過顯示裝置觀看虛擬設計環境與設計物件。在設計者移動過程中,檢測畫面的更新是否順暢,以及設計者在真實空間的移動距離是否與在虛擬環境中之視點移動距離相符合。待接近設計物件時,則以各角度觀看該物件,並利用手部的動作對物件作搬移、按鈕等行為。

整合測試的目的為使虛擬設計環境系統具有真實性,而設計者在設計空間中的行為動作能夠正確的被傳達回系統並反應出正確的事件,完成具互動性的設計。

4.2 多設計者設計環境之建立

此階段設計延續第一階段之單一設計者設計環境的研究成果,將其技術推展到多設計者設計環境的建立。此種設計環境包含兩種模式:一為同一空間設計者設計環境,一為不同空間之遠端網路設計環境。以下則針對這兩種設計環境加以說明之:

4.2.1 同一空間設計者設計環境

此種設計環境下,設計者們透過顯示裝置,在不同位置所看到的物件影像也有所不同。而設計者手部行為動作及與設計物件之間的互動關係,亦將透過顯示裝置而被另一位設計者所觀看。此外,由於處於同一設計空間中,設計者則可以直接交談作設計上的溝通。

本設計所要達到的目的即是在建立ㄧ個同設計空間之互助合作設計環境,在此環境中,除了著重於設計者與設計物件間的互動外,更強調於設計者之間的資料共享與互動關係。具體要達成的事項有以下幾點:

1.擁有獨立之視點:每位設計者擁有獨立的空間移動裝置在設計空間中移動,而在虛擬設計環境中,則控制其自有的視點觀看設計環境中的事物。

2.具有個別之顯示資料:每位設計者在不同角度或不同距離,透過顯示裝置所看到的景象則有所不同。

3.設計者間具互動性:設計者在設計環境中的手部動作及與物件間的互動,將透過視覺裝置傳遞給其他設計者觀看。

4.具有直接的溝通管道:由於設計者在同一設計空間中從事設計工作,因此可藉由交談的方式達到設計上的溝通。

為完成此種設計模式,其設計方法步驟簡述如下:

1.感知硬體的添購:由於設計者不只ㄧ位,因此,必須添購足夠的感知硬體如顯示裝置、資料手套及追蹤器等設備。此外,為因應多套感知硬體安裝時,工作平台序列埠將明顯不足,序列埠擴充介面的添購亦將考慮其中。

2.設計者之間互動設計:針對多位設計者的設計環境,將每位設計者所佩戴之顯示裝置連結至設計環境中不同的視點物件,以代表設計者之個別視點。資料手套亦是連結至手部物件上,每位設計者即具有獨立的行為。

3.系統整合測試:此項工作在確保每個設計者對設計物件之行為及設計者之間互動關係的正確性,必要時修改程式以達到正確的行為。

4.2.2 遠端網路設計環境

當設計者無法同在一個設計空間從事設計與溝通時,藉由遠端網路來傳遞訊息與資料則是一種替代的方式。設計者利用自端工作站登錄至虛擬設計環境伺服器,即可與遠端設計者在同一環境中從事設計工作,且設計者皆共享該環境中的資料。

此項工作所要達到的目的即是建立遠端網路虛擬設計環境,即使設計者不能處於同一個設計空間,但是透過網路傳遞即時的資料,亦可讓設計者從事互助合作的設計工作。而其具體要達成的事項有以下以點:

1.設計工作環境之一致性:設計者透過網路至遠端伺服器從事設計工作,具同空間、同座標系之工作環境。

2.設計者訊息溝通的傳遞:不同於同空間設計環境,設計者利用直接交談達到溝通,遠端網路設計環境中,設計者也將利用網路傳輸設計者的聲音,以達到互相溝通的目的。

3.環境資料之即時更新:ㄧ設計者在設計環境中的任何動作行為,透過伺服器的處理,必須即時對遠端所有設計者作資料的更新。

欲達成遠端設計環境的建立,其研究方法步驟簡述如下:

1.遠端伺服器設備評估選購:針對伺服器與其遠端設計者工作平台之相容性為考量,選購適宜之伺服器設備。

2.伺服器架設與通訊介面設定:在伺服器建構所需之虛擬設計場景、設計物件,而設計者的視點位置、互動關係等皆預先設定完成。而後設定伺服器與設計者工作平台通訊介面之統一性,以利訊息、資料的傳輸。

3.系統整合測試:設計者登錄至遠端伺服器,檢測其設計行為之正確性及訊息與資料傳遞與更新之即時性。

五、研究計畫之預期完成工作及具體成果

本研究分成兩個階段,預計完成具有互動性且能提供多設計者合作設計之虛擬設計環境。各階段預期完成的工作項目及具體成果如下:

l 第一階段:單一設計者互動性虛擬設計環境的建立

1.虛擬實境相關研究蒐集、相關實例探討。

2.確認虛擬設計環境之設計需求與目標。

3.相關軟硬體資料之蒐集、評估與選用。

4.完成虛擬設計空間、設計物件之模型建立。

5.顯示裝置、資料手套及追蹤器等感知硬體的裝配與校正。

6.顯示裝置與追蹤器之搭配設計。

7.空間移動碰撞檢測程式之撰寫。

8.資料手套與追蹤器之搭配設計。

9.物件屬性設定、設計者與物件互動關係之建立。

10.空間移動及設計者與物件互動行為整合測試與修正。

l 第二階段:多位設計者合作設計環境之建立

1.感知硬體設備之添購。

2.遠端硬體設備之評估選用。

3.設計者間互動介面設計與通訊介面之設定。

4.系統整合測試。

虛擬設計環境設計完成後,其將是具ㄧ般性且有景深的三維設計環境。設計者能夠與設計物件產生直接的互動,且在同一空間或透過網路與其他設計者共同從事設計與溝通,相信其將能夠成為未來新型態的設計模式。

Reference

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