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作者:葉欲 (2000-07-12);核可:徐業良 (2000-07-20)
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三章。

三維虛擬設計環境之設計與建構

本章首先簡介虛擬實境系統的架構與相關之軟硬體,作為評估與選用本研究所需設備之參考依據。接著對本研究虛擬設計環境建構的方法及步驟與各工作項目的作詳細的說明。

3.1 虛擬實境系統架構與軟硬體設備

3.1.1 虛擬實境系統架構

虛擬實境是指一種模擬互動的環境,具即時性、沒有限制的觀察三度空間內的電腦合成模型,且因使用者所處位置不同,經繁複的運算,傳回正確的3D世界影像。

一般虛擬實境系統的架構圖如圖3.1所示,共可分為虛擬實境處理系統、輸入裝置及輸出裝置三部份。使用者戴上意念輸入裝置,當使用者有行走、搖頭、舉手等行為,意念輸入裝置會將訊息透過輸入界面傳送至電腦主機做處理,並輸出所對應的感知變化至感知裝置,讓使用者即時感受到感官知覺的變化。

3.1 虛擬實境系統架構圖

虛擬實境技術中所能提供之裝置,主要是為了提供人體的各種知覺的真實度,如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺與味覺等等而發展出來的。目前常用之裝備包含3D滑鼠、立體眼鏡、頭戴顯示器、資料手套、及位置追蹤器等。目前所能提供之輸出裝置大多偏重於視覺、聽覺與觸覺方面,對於嗅覺與味覺方面較不易模擬真實,故其裝置大多還在實驗階段。

3.1.2 虛擬實境軟體

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,成為在建構虛擬場景的一個重要課題。

目前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

World Up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 EditorSound 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。

3.1.3 虛擬實境硬體

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,我們必須利用各種周邊設備來達到這項要求。這些周邊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。因此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,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)、資料手套(Data Glove)及三次元滑鼠(3D Mouse),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。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。其中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。

c. 三次元滑鼠(3D Mouse)

滑鼠的目的亦是讓操作者與虛擬世界進行互動,藉由滑鼠上的按鍵來下達選取與否的命令。三次元滑鼠能夠執行三次元六個自由度的互動操作,其可分成兩類,第一類為桌上型滑鼠,使用範圍僅限於桌上,與一般滑鼠類似。第二類為空間型滑鼠,操作者可在空間中握著滑鼠自由輸入操作,所以也稱此種滑鼠為飛行滑鼠。

在對虛擬實境系統架構及相關軟硬體設備的了解後,即著手進行虛擬設計環境的設計與建構進行規劃。

3.2 虛擬設計環境之建構

虛擬設計環境之設計與建構共有軟硬體設備選用、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。整個工作流程如圖3.2所示,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。最後在整合測試階段,設計者利用CAD繪圖軟體,建立設計物件模型,經轉換格式後匯入虛擬場景中,接著戴上設計完成之空間移動裝置行走並觀看設計物件,亦利用互動介面測試互動行為之成效,最後依據測試時所產生的問題進行適當的修正。

3.2 三維虛擬設計環境工作流程圖

3.3 三維虛擬設計環境之建構

本虛擬設計環境的建構,主要分成虛擬設計場景的建立與設計者使用介面設計兩大項。虛擬設計場景的建立起自虛擬實境軟硬體的評估與選用起,乃至於場景與設計物件的建立與配置,而使用者設計介面設計工作始於感知硬體的評估與選用,至空間移動設計與互動介面之設計完成,本節將針對各項工作進行說明。

3.3.1 虛擬設計場景的建立

本工作項目主要分成虛擬實境軟體的評估選用以及虛擬設計場景的建立兩部份。此外,針對場景彩現後產生畫格速率的問題,作進一步的探討。

1. 虛擬實境軟體之評估選用

本工作主要目的乃完成所需之軟體的採用,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。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,成為在建構虛擬場景的一個重要課題。

藉由先前對三種虛擬實境軟體:dVISEWorld UpSuperscape VRT等軟體的概況介紹,可做出針對各軟體的圖形介面、設定關係(是否需撰寫程式)、模型編輯器、作業環境、程式語法、使用方便性及系統成本等項目做比較,如表3.1所示。由於模型的建立、屬性的設定、虛擬場景的彩現等乃為此種軟體之基本功能。對於計畫研究的需求而言,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。

3.1 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

藉由表3.1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,但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軟體乃為較符合計畫設計上的要求。

2. 虛擬設計場景的建立

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。圖3.3為虛擬設計環境之彩現圖,圖3.4則為其所對應之真實環境。

3.3 虛擬設計環境之彩現圖

3.4 真實環境照片

此虛擬設計環境乃依照真實環境之實際空間等比例所建構而成,其中的擺飾如電腦、書架及書桌等亦以等比例製作模型,而其在虛擬設計環境中的位置也與實際環境相同。此目的乃是將虛擬設計環境與真實空間相結合,即設計者在虛擬空間與周遭環境物件之相對距離與真實空間中相同。

3. 虛擬場景彩現畫格速率之探討

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。畫格速率表現是否良好,給設計者的直覺即是順暢不順暢的感覺,即使場景具有高真實性,但畫格速率表現不佳,就虛擬實境而言則是有高度度想像空間卻身不歷其境。因此如何尋求最佳的解決方法達到想像空間與身歷其境兼顧,是虛擬場景製作設計上的重要課題。

影響畫格速率的因素包含硬體與軟體兩部份,硬體係指微處理器、繪圖加速卡、記憶體等,而軟體方面則泛指幾何模型結構與材質貼著兩方面,關於詳細的說明請參閱附錄之虛擬場景彩現畫格速率探討技術文件。由於硬體的提升具有其極限,因此對於畫格速率的改善,則針對軟體部份作改善。

軟體改善的方法為對於場景中不重要的模型,採平面貼圖組合代替原有之實體模型,例如書桌、椅子、電腦等。圖3.5為一書桌之實體模型,其中左圖為實體組合成之書桌,右圖則是採平面組合而成之書桌。

3.5 書桌實體模型圖

平面貼圖組合方法的概念,乃是在立方體的六個面分別貼上不同的材質所形成之物件模型。由於立方體的Polygon數遠比原實體模型的Polygon數少,因此有助於採現後畫格速率的提升。圖3.6為書桌模型的線架構圖,圖中可以明顯的看出採平面貼圖組合之書桌模型的架構比原實體書桌模型簡單許多。

3.6 書桌模型線架構圖

3.3.2 設計者使用介面之設計

設計者使用介面乃藉由合適之感知硬體設備,利用各個設備所具有的特性作互相搭配的設計,同時藉由程式的撰寫來定義因行為發生而引發事件之互動關係,有關程式撰寫之資料,請詳見附錄“VBScript簡介、基本撰寫概念及範例”技術文件。本節首先介紹所評估選用之感知硬體,而後說明設計者空間移動介面與設計者與物件互動介面之設計。

1. 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,我們必須利用各種互動感知設備來達到這項要求。目前市售之感知硬體已相當齊全,且功能也相當完備,本節針對經由設備功能、成本等考量因素,對目前已選用之感知硬體作介紹。

a.頭戴顯示器(Head Mounted Display, HMD)

設計者配戴顯示器,透過兩個小型LCD即可看到具有景深之虛擬場景。本研究所採用的顯示裝備為i-glasses personal display system,其實體如圖3.7所示。

3.7 HMD實體圖

HMD具有兩個0.7吋全彩之液晶顯示螢幕,在3D模式具有十八萬像素,且以640x460模式顯示場景畫面。此外,顯示裝置在兩側附有一對耳機,提供設計者具有立體效果之音效,而在後端有一追蹤器具有旋轉自由度,用以偵測設計者頭部轉動的動作。

b. 資料手套(Data Glove)

為了表達設計者手部行為及與設計物件產生互動,將利用資料手套來完成此項意念行為的輸入。圖3.8為採用之資料手套實體圖。

3.8 資料手套實體圖

3.8所示為一光纖式資料手套。每一根手指皆有一個感側器計算其彎曲度,而在手背上端另貼有一個兩軸磁場式追蹤器,具有X軸與Z軸正負60度之線性旋轉自由度。

c. 空間追蹤器(Flock of Birds)

空間追蹤器的主要應用為追蹤人體某部份的運動情形,通常與其他VR設備搭配使用。其具有XYZ平移位置,以及YawPitchRoll旋轉角度。空間追蹤器的基本架構分為三部份,分別為發射源、接收器與訊號處理器。發射源固定在空間中某一個位置,接收器則是放置在人體某部位,如頭、手足等部位或與其他設備搭配,透過訊號處理就可以偵測該部位所在的空間座標。圖3.9為空間追蹤器實體圖。

3.9 空間追蹤器之實體圖

2. 設計者使用介面設計

由上述對感知硬體的介紹可知,雖然頭盔與資料手套皆具有追蹤器,卻僅具旋轉之自由度,而空間追蹤器則兼具移動與旋轉之自由度。因此為了讓設計者能夠在虛擬設計空間具有完整的行為動作,以空間追蹤器代替其他裝置的追蹤器作搭配設計,包含空間移動與設計者與物件互動介面之硬體設計,分別說明如下:

a. 設計者空間移動設計

為了讓設計者可在不同距離、不同角度觀看虛擬設計環境中的設計物件,則以空間追蹤器取代頭戴顯示器所附之追蹤器,來偵測人體頭部的運動。在兩種感知裝置搭配設計概念上,由於考慮到空間追蹤器之接收器在旋轉時,必須盡量保持水平狀態,否則當頭部左右轉時會有景象傾斜的狀況發生,因此產生將接收器戴在頭頂部位的設計概念。圖3.10為空間移動裝置設計成品之實體圖。

3.10 空間移動裝置設計成品

我們將接收器貼附於扁帶上,其用意為使接收器固定於頭部,而顯示器耳架兩端則具有可調整之扣環,其目的為因應每位設計者頭型大小不一,可讓設計者調整接收器在頭部中央的位置。

在硬體裝置設計完成後,考慮到為了便於進行模擬的開始,因此引用了視點歸位的概念,如圖3.11所示。

3.11 視點歸位設計概念圖

其概念乃是將一小圓球定於模擬的起始點,其所在之位置與方位將作為視點的參考。在模擬進行前,設計者戴上頭盔立於起始位置,而場景中視點則不須位於該起始點,如圖3.11之左圖所示。當開始進行模擬時,視點則會參考小圓球所在位置與方位並貼附之,如圖3.11之右圖所示,此時即可開始進行模擬,免除在進行模擬前須做設計者位置與場景視點的調整,其完整之程式碼請詳見目錄。

此種方法的另一考量因素,乃因視點本身並沒有如小圓球周邊的邊界特性,而無法做碰撞之檢測行為。因此將視點貼附於小圓球上,可因應未來視點利用小圓球邊界做碰撞檢測以引發事件之設計需求。

b. 設計者與設計物件之互動設計

設計者與設計物件之互動設計係由互動介面設計與互動關係建立設計所構成。而互動介面設計為資料手套與空間追蹤器之搭配設計,將空間追蹤器貼附於資料手套手背以取代資料手套之追蹤器,達到其具有位移與旋轉的自由度,並利用線材固定夾固定RS232傳輸線,其硬體設計成品如圖3.12所示。

3.12 設計者與物件之互動裝置成品

由於資料手套之追蹤器與手套本身無法分離,為了取消該追蹤器之旋轉功能,則在資料手套移動程式碼取消其旋轉之功能,如此資料手套的移動與旋轉則完全利用空間追蹤器控制之。

完成設計者互動介面設計後,則著手規劃設計者與設計物件之互動關係的設計。其概念乃採用模型物件邊界碰撞檢測的觀念,藉由物件邊界做碰撞的檢測,當其行為為真時,也就是物件與物件產生碰撞,此時則引發設計物件應有的行為。設計者與設計物件互動關係的建立,包含碰撞模型的建立以及行為與事件程式撰寫兩部份,其互動關係設計流程如圖3.13所示。

3.13 互動關係設計流程圖

在碰撞模型建立部份,主要為建立手部模型與控制盤模型。手部模型的建立為表示設計者在虛擬場景中的手,且由設計者互動介面帶動其移動與旋轉。而為了簡化碰撞檢測的判別,另建立一個立方體作為手部之碰撞物件,並且設定為手模型之子物件,如此當手部模型移動時該立方體也會跟著移動。而控制盤模型包含面板與放大、縮小與還原等三個按鈕,此三個按鈕的作用為與手部碰撞物件做碰撞檢測之用。

完成碰撞模型的建立後,則開始著手行為與事件程式的撰寫。所謂行為係指碰撞之行為,而事件則是指由碰撞行為所引發之事件,就本研究設計者與設計物件互動關係設計而言,所引發的事件為按鈕改變顏色及設計物件放大、縮小與恢復原比例等事件。

在程式撰寫方面,分成碰撞檢測程式撰寫與引發事件程式撰寫兩部份。碰撞檢測程式的撰寫主要是偵測手部碰撞物件是否與控制盤按鈕產生碰撞,而引發事件程式的撰寫則是當碰撞行為為真時,賦予物件應有的行為發生。最後,對兩部份之程式碼做適當之組合,並將程式附掛於對應之模型物件使其具有該行為特性,且進行程式初步測試與修正。

在虛擬設計場景的建立與設計者使用介面之設計等兩項工作完成後,則將進行系統實際測試以了解設計者於該環境之使用成效。