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作者:徐業良葉欲 (2000-07-28);推薦:徐業良 (2001-02-15)
附註:本文發表於中國機械工程學會第十七屆學術研討會。

三維虛擬顯示螢幕的建構

摘要

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—三維顯示螢幕,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。

1. 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在早期是以手繪工程圖呈現,由於電腦繪圖技術的快速發展,則以二維三視圖來表達三維物件,藉由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。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,其在設計工程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。

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,如圖1是克萊斯勒公司在設計其汽車內部構造時,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. 共享空間配置與設計者之視野[Billinghurst, et al. 1998]

由以上的討論可知,利用虛擬實境技術從事工程設計,將設計物件預先體現於虛擬設計場景中,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。

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

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

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

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。所觀看的景象會因位置不同而有所不同,且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。

3為本研究所欲建構之虛擬設計環境示意圖。如圖所示,整個虛擬設計環境是由虛擬場景與設計者使用介面所架構而成。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。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。

2. 三維顯示螢幕的建構

本三維顯示螢幕的建構,主要分成虛擬設計場景的建立與設計者使用介面設計兩項工作。虛擬設計場景的建立主要目的在選定一實驗室作為三維顯示螢幕實體所在,建立與此實驗室完全相同的虛擬場景,提供設計者在三維顯示幕中與真實實驗室完全相同的活動尺寸與空間感覺。而使用者設計介面設計則在建立設計者和三維顯示螢幕互動的介面,工作包含感知硬體的評估與選用及空間移動設計與設計者與設計物件互動介面之設計。

在虛擬設計場景建立方面,首先利用CAD軟體依照真實環境之實際空間等比例建立設計空間模型、貼上適當的材質,而後轉換格式匯入由美國Sence8公司推出的World Up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,如圖4所示,左邊為虛擬設計場景彩現圖,右邊則為真實之設計環境。

4. 虛擬與真實設計環境空間對照圖

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。本研究所選用的感知硬體計有Ascension Technology Corporation公司所推出的Flock of BirdsI-O Display System LLC.公司所推出的“i-glasses X2”立體眼鏡及5DT(Fifth Dimension Technologies)公司所推出的5DT Data Glove 5(5 sensor)

由於三項設備中,Flock of Birds為具有旋轉及移動的自由度,因此在設計者使用介面設計上則以Bird為中心。利用立體眼鏡與Birds搭配設計成設計者空間移動裝置,而資料手套與Birds的搭配設計成互動關係裝置,成品如圖5所示,左邊為空間移動裝置而右邊為互動裝置。

5. 設計者使用界面成品

3. 系統整合與測試

完成虛擬設計場景與設計者使用介面設計等兩項工作後,則進行整個系統的整合與測試。整合測試主要包含系統整合與設定、系統操作測試及測試結果評估三部份。在系統整合與設定部份,其工作流程始於設計者將其所建構之設計物件,經轉換格式後匯入虛擬場景中,接著將設計完成之設計者使用介面,於World Up中設定其物件形態,而後將所撰寫之工作程式附掛於對應之模型物件,最後在進行測試前預先調整空間感測器之靈敏度,使其具有適當之位移行為。

在系統整合與設定工作完成後,則進行空間移動與設計者與設計物件互動的測試。由於目前僅有一個空間感測器,且兩項測試皆須配合該感測器使用,因此本階段的測試採分開測試的模式。在測試過程中,為了達到虛擬場景中的位移量與真實之位移量相同,則須適當的修改空間感測試的靈敏度。最後,對於測試的結果提出評估說明。整體系統整合測試之流程圖如圖6所示,以下將對測試流程之三大部份做進一步的說明。

6. 三維虛擬顯示螢幕整合測試流程圖

三維虛擬顯示螢幕之設定

此階段工作項目分成設計物件之建構、轉檔與匯入、硬體裝置物件型態的建立、工作程式之附掛以及空間感測器靈敏度之調整等四部份。

(1) 設計物件之建構、轉檔與匯入

設計者將其在CAD軟體所建立之設計物件,將匯出成IGS格式後並先匯入3D Studio MAX中進行轉檔的工作。經由3D MAX轉換成3DS格式後,最後則匯入World Up軟體中成為設計物件模型。若繪圖軟體已可匯出3DS格式,則匯入3D MAX做轉檔的工作即可省略。圖7為設計物件匯入後的彩現圖。

7. 虛擬設計物件之彩現圖

(2) 硬體裝置物件型態的建立

此項工作的目的,是在World Up軟體中,將所設計完成之使用介面建立一物件型態,使該硬體可以被感測與抓取進而可以使用該項設備。以空間追蹤器為例,在設定其物件型態前,必先確定其傳輸率與序列埠屬性使否正確。

(3) 工作程式之附掛

本項工作主要是將所撰寫完成之工作程式,分別附掛於所對應的物件模型屬性中,使其具有應有的行為動作。而工作程式的附掛是在物件屬性視窗內完成,一個物件模型可因應需求附掛一個以上的工作程式。

(4) 空間感測器靈敏度之調整

在開始模擬前,空間感測器靈敏度之預設值為1,代表該感測器尚未具有位移量的產生,將靈敏度數值調大,使其具有位移量的產生方才進行模擬。

三維虛擬顯示螢幕之操作測試

在完成系統整合的設定後,接著進行系統之操作測試,包括設計者空間移動測試,及設計者與設計物件互動行為測試。設計者空間移動測試的目的,在讓設計者於真實設計空間移動,測試真實移動量與設計環境中視點之移動量是否相符合,以及設計者能否穩定的以不同位置與角度觀看該設計物件。圖8為設計者戴上空間移動裝置遊走於真實設計空間之狀態,圖9則為該設計者在頭盔所看到之設計物件畫面之一。

8. 設計者於真實空間遊走狀態圖

9. 設計者於頭盔顯示器所視之畫面

設計者與設計物件互動行為測試乃是設計者戴上互動介面裝置(資料手套與空間追蹤器的搭配),在虛擬設計環境中移動手部模型,使其與控制盤上的按鈕做接觸,引發設計物件做放大、縮小與恢復原比例的行為。此項測試的目的,是在確認使用者的手部行為(旋轉與移動)是否正確,以及經由碰撞所以發的事件是否被正確的完成。圖10為設計者在真實空間的實際操作狀態,圖11則為真實行為反應於虛擬設計場景所呈現之畫面。

10. 設計者在真實空間之實際操作狀態圖

11. 真實行為反應於虛擬設計場景所呈現之畫面

4. 測試結果與未來工作

由於整合測試過程中皆可完成所要求的目標,如接近設計物件以各角度觀看該物件、利用手部模型碰撞控制盤按鈕完成設計物件放大、縮小與恢復原比例等,顯示出此系統已具有一三維顯示螢幕的基礎。對於在測試過程中所產生兩項較明顯的問題說明如下:

(1) 空間位移、旋轉量之一致性

在測試的過程中,設計者的真實位移量與虛擬場景中視點位移量的一致性不易達成。亦即空間追蹤器自A點移動至B點後,欲移回A點所需之位移量不盡相同,此外在旋轉行為方面亦有此種問題的存在。

(2) 空間追蹤器之穩定度

在進行模擬時,視點有不穩定跳動的現象發生。乃因空間追蹤器為一磁場感測設備,極易受到周圍環境的影響。而在真實的設計環境中,具有相當的金屬物質及電器設備,此為影響模擬時穩定之最大因素。

對於整體模擬進行而言,除了完成行為動作與事件引發的工作外,設計者的行為是否能被正確的反應在虛擬設計環境中,將是本項研究的最重要課題。

在未來工作上則朝向模擬進行穩定度的提升、直接互動關係的建立與虛擬設計環境多設計者參與化與網路化。模擬進行穩定度的提升,著重對影響空間追蹤器穩定與靈敏兩方面的因素,做進一步的研究與探討。直接互動關係的建立的發展,將朝向設計者直接與設計物件具行為的產生,而引發出設計物件所應有的事件,例如利用手指邊界與設計物件的碰撞檢測,判斷物件是否被抓取。

虛擬設計環境多設計者參與化與網路化,則以本研究之三維虛擬設計環境為基礎,亦是本研究發展的遠程目標。多位設計者同時參與設計之設計環境,設計者可依據其在不同位置、角度所觀察之設計物件,與其他設計者做設計概念上的溝通,此外亦要強調設計者之間的資料共享與互動關係。此外,針對設計者無法在同一設計空間從事設計與溝通時,則可藉由遠端網路來傳遞訊息與資料,以達到在同一設計環境中從事設計工作與共享該環境中的資料。

參考文獻

Billinghurst M., Weghorts S., Furness III T., “Shared Space: An Augmented Reality Approach for Computer Support Collaborative Work,” Virtual Reality, Vol.3, pp. 25-36, 1998.

Lee, K., Principles of CAD/CAM/CAE systems, Addison-Wesley, Massachusetts, 1999.