//Logo Image
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二章。

虛擬實境技術在工程設計之應用

本章首先簡介虛擬實境之內涵,以對該領域具有基本認識,並回顧國內外虛擬實境相關研究,以了解該項技術的應用與相關研究方向。同時透過虛擬環境在工程設計上應用實例的探討,以確立本研究的發展方向。

2.1 虛擬實境之內涵

虛擬實境技術乃利用微電腦系統與機電系統所組成的模擬器(simulator),模擬出與真實環境相仿的動作,配合上視覺影像與音效等感官情境,並利用檢測器感測人體的生理反應回饋至模擬器,使得人機之間產生一個即時的(real-time)互動關係。虛擬實境的內涵如圖2.1所示,包含想像空間(imagination)、互動關係(interactive)、以及身歷其境(immersion)等三項內涵[Burdea, 1993],以下分別做進一步的介紹。

2.1 虛擬實境之內涵

1.想像空間:

由於虛擬實境軟體使用到相當多的電腦繪圖與數學運算,而大量的影像資料與圖形運算工作致使畫格速率(frame rate)緩慢,無法即時反應情境所造成感官失真的問題,始終困擾著虛擬實境技術的發展。因此如何簡化運算、提高速度,使VR能夠真正的藉由個人電腦與網際網路達到普及的運用,ㄧ直是虛擬實境技術在此方面最重要的課題。

2.互動關係

在虛擬技術中,互動關係的建立依賴硬體的設計、通訊軟體的設定及互動行為程式撰寫三部份構成。而硬體架構的完善與否往往成為虛擬實境技術中使用者感官知能是否能夠滿足的重要因素。

3.身歷其境

在虛擬實鏡的三項內涵中,身歷其境是虛擬實境最終要達到的境界,而ㄧ切的努力則在於藉由電腦輔助運算虛擬情境,透過感官刺激的方式創造出豐富的想像空間,並透過機電系統的回饋,完成符合物理現象的互動關係。

2.2 虛擬環境在工程設計上之應用

虛擬實境技術的應用領域很廣泛,涵蓋教育訓練、設計、醫療、製造及娛樂等方面。由於虛擬實境技術日益成熟,利用該技術從事工程設計的應用也逐漸的發展,且由單人設計逐漸趨向於多人共同合作,以下則分別提出幾個研究實例:

1. 汽車內部設計

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,圖2.3為設計者座於駕駛座平台從事設計的過程。圖2.4是地下鐵車廂內部的虛擬設計,設計公司藉由虛擬實境技術展示車廂內部裝潢、廣告及駕駛控制盤等內部構造之虛擬原型。

2.3 汽車內部的虛擬設計[Lee, 1999]

2.4 地下鐵車廂內部的虛擬設計[Lee, 1999]

2. 電腦協助合作之環境

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2.4為共享空間中的系統配置與其中一設計者所看到的視野,兩位設計者所看到的畫面會因其所在位置的不同而有所不同。

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

由以上文獻的討論,可以了解虛擬實境技術的進步,讓人們從事各方面的應用具有創造力與便利性。由虛擬實境的內涵可得知,要達到身歷其境的效果,端賴電腦圖學所創造出的想像空間,以及配合機電系統建構之人機互動關係。

藉由虛擬環境在工程設計上應用的相關文獻回顧中,利用虛擬實境技術從事設計,將設計物件預先體現於虛擬設計場景中,則有助於對設計物件構造及便於改變設計方向,而在設計發展方向,亦由單人設計逐漸趨向於多人共同合作。

參考資料

Billinghurst, M., Weghorts, S., Furness III T., “Shared Space: An Augmented Reality Approach for Computer Support Collaborative Work,” Virtual Reality, Vol.3, pp.25-26, 1998.

Burdea, G., “Virtual Reality Systems and Applications,” Electro’93 International Conference, Short Course, Edison, NJ, pp.164, April 28, 1993.

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