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作者:葉欲 (2000-07-10),核可:徐業良 (2000-07-19)
附註:本文為八十八學年度元智大學機械工程研究所葉欲君碩士論文第一章。

三維虛擬設計環境之研究背景與目的

1.1 電腦繪圖系統的演進

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,設計者在顯示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顯示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,其在工程設計上的應用也逐漸普遍。Lee[1999]提出“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。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.經驗、技術的保存

藉由虛擬設計可將整個設計過程中的組裝或操作等技術記錄下來,通常這些技術多半不易了解且難以形式化。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。

1.2 建構三維虛擬設計環境-三維顯示螢幕

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、一個三度空間的「顯示螢幕」。本研究的目的即是在建立一個具一般性之三維虛擬設計環境,期望在此「三維顯示螢幕(three-dimensional monitor)」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

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顯示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,設計者必須在此三維顯示螢幕中移動,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。

1.1為本研究所欲建構之虛擬設計環境示意圖。如圖所示,整個三維顯示螢幕所需要的硬體設備包括視覺裝置、資料手套、與空間感測器。設計者可藉由電腦繪圖軟體建構所需之3D實體模型,並匯入此三維顯示螢幕中,透過戴上視覺裝置觀看虛擬設計環境中的物件,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。

1.1 虛擬設計環境-三維顯示螢幕示意圖

在三維顯示螢幕中,除了單一設計者可以三維方式觀察設計物件外,亦可同時有兩位甚至多位的設計者參與設計溝通。在圖1.1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,整個虛擬設計環境的發展將由原先的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,而目前研究方向則以單一設計者設計環境之建構為主,以作為未來多位設計者設計環境建構的基礎。

1.3 論文架構

本論文第一章說明本研究的背景與目的,針對設計物件的視覺表現發展,引申出利用虛擬實境技術建立一三維虛擬設計環境-三維顯示螢幕之概念。第二章則首先探討虛擬實境的內涵,對該領域具有基本的認識。藉由回顧虛擬實境技術的應用範圍,以了解該項技術之應用方向,並針對虛擬環境在工程設計上的應用做較深入的探討,用以確立本研究之發展方向。

第三章詳細描述此三維虛擬設計環境之建構,將目前主流之軟硬體設備做搭配設計,將虛擬技術應用在工程設計的領域之中。第四章則針對由虛擬實境軟體所建構之設計場景、感知硬體所搭配設計之設計者使用介面、以及行為關係程式撰寫等三部份構成之三維虛擬設計環境系統,進行整合與實際測試,以了解設計者於該環境之使用成效。最後在第五章中將說明本研究之成果與結論,並對本系統未來的發展重點加以說明。同時在附錄中則說明本研究相關技術性資料與相關程式碼。

參考資料

Lee, K., Princioles of CAD/CAM/CAE system, Addison-Wesley, Massachusetts, 1999.

Sutherland, I.E., “SKETCHPAD: A Man-Machine Graphical Communcation System,” Spring Joint Computer Conf., Spatan, Baltimore, Md., 1963.