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作者:蔡宗成、鄭智銘、邱瑞隆、黃敬涵、陳明周(2001-03-12);推薦:徐業良(2001-03-13)
附註:本文敘述之作品參加2001年「元智大學資訊週數位生活創意大賽」獲優等獎。

數位生活(e-Life)創意大賽-網路實況遙控車

1. 前言

創新是進步的原動力,為了迎接時代潮流,並配合學校e-life重點計畫,以增進本校學生研發創作的精神,讓元智大學的學生走在科技的前端,特聯合資訊學院於資訊週共同舉辦此活動,歡迎對軟硬體創作、3C整合、多媒體系統、資訊家電、網際網路創作、無線燃料電池….鼓勵有興趣的同學報名參加。

秉持著元智大學機械工程學系創新與實作的精神,由徐業良系主任所帶領的機械系組成一支超強的創意團隊,藉由參加這次資訊週比賽,培養機械系大學生如何思考、如何解決所面對的問題,與團隊合作的默契。並將機械系最佳化設計實驗室目前所進行之研究「Telepresence(遠端臨場)」予以具體、娛樂、教育的多重意義,而最重要的目的便是贏得這次比賽的第一名,抱走十萬元獎金。

2. 計畫動機與背景

早期網際網路僅是資料訊息傳送溝通的工具,隨著網際網路的普及與寬頻時代的來臨,各種網際網路相關技術蓬勃地發展,各種線上媒體播放、影音即時傳輸以及遠端操控軟體與技術也逐漸普遍地運用在生活的各層面,任何產品都試著強調網路”為其賣點,例如目前市面上所謂的網路冰箱,可以透過網路專屬網頁控制冰箱甚至家中其他家電的開關,研發中的藍芽技術也是無線通訊與遠端控制結合的例子。隨著網路頻寬的增加以及影音壓縮技術的成熟,網際網路儼然成為主要的娛樂媒體,連一般單機電腦上的遊戲軟體也掀起了一股“連線風”,任何遊戲不論是RPG、即時戰略、甚至神奇寶貝養成都有支援連線對打的功能,對於真實的對手往往比呆板的電腦來的刺激,其中最早在大型遊戲機便有多人連線同時競賽的賽車系列,更可算是連線遊戲的鼻祖。

一般的電腦遊戲是模擬真實場景所建構出公式化的虛擬競賽世界,競賽的場地往往是虛幻、不真實的,這也是近幾年來,遊戲業者投入大量人力、金錢、時間,開發出非常類似真實世界的遊戲介面。本計畫設計動機不同的是,本計畫將要建構一個真實的賽車競賽場景,整合運用網際網路無遠弗屆與影音即時傳送的特性,提供多人連線遊戲,遠端操控“真實”的賽車進行比賽,遊戲的深度與趣味性可預期地比模擬的賽車遊戲更為有趣。

本計畫是一個涵蓋各領域的整合計畫,結合了遠端控制技術、無線控制、及時影音傳輸、機械設計、傳動機構以及各式電子感測裝置與自動控制裝置,建構一組完整的遠端實況操控賽車賽,有別於虛擬電腦遊戲場景的不真實感,透過網路無遠佛界的特性以及即時影音技術,提供完全真實的線上連線遊戲,讓遍佈全世界的遊戲者可以跨越距離在同一場地同時進行競賽。

機械系最佳化設計實驗室已擁有遠端控制的技術與研究經驗,以Visual Basic撰寫控制程式,透過網路,在網頁上控制遠端的機械設備,本計畫將以此為基礎再加上無線遙控技術與無人自動化控制競賽場地,便可完成操控真實的賽車遊戲。

3. 競賽團隊組織

元智大學機械工程學系徐業良系主任有感於創新與實作為大學部學生教育的重點,多年來在系上不論在課程設計、資源投入、教學環境整建等各方面,都以此為思考主軸。藉由這次舉辦的創意大賽,組成一支競賽團隊。此競賽團隊組織如圖1所示,包括兩位研究生,三位大學生,總共五名團隊成員,以大學生為團隊主軸,在進行這項計畫的過程中,培養大學生創意與實作的能力。研究生的責任為提攜後進,將本身的經驗與知識傳承給學弟妹,並整合實驗室資源,提供必要的協助。

1. 競賽團隊組織架構

本組大學生正在修讀由徐業良教授所開設的「機械設計」課程,在這門課程中,學生學習到關於機械設計、零組件、電子電路等相關知識與技術,並在每一個單元結束時,讓學生進行Workshop或實作計畫,實際利用這個設計工具的機會,而這些實作計畫也都刻意不做明確的細節說明,希望給同學獨立思考的機會和創意發揮的空間,並且從設計的經驗中學習設計的程序與方法,體會到創造的喜悅、和與他人合作的經驗。這次的創意比賽正是考驗這些大學生能力的最佳時刻,從組織比賽成員、撰寫計畫書、實際創作到參加比賽,都可以增加學生的實務經驗與能力,有非常正面與鼓勵的教育意義。

4. 團隊創思過程

獲得這次創意大賽的活動目的與相關資訊後,本團隊便積極收集相關資料,以實況網路賽車為本組創意設計重點,並建構一個真實的比賽場地,應用現今最熱門的網路科技,架設多人連線遊戲,作為本組的發展主題。本組作品「網路實況遙控車」有別於市面上的線上遊戲,本組團員希望遊戲者能直接操控一台真實的車子,並在真實的場地裡進行比賽,將遊戲操作介面架設在網站上,遊戲者不須專屬遊戲程式,只要使用瀏覽器,登入到指定網頁,並利用車子上所架設的無線CCD攝影機作為影像回饋,便可進行遊戲競賽。

5. 計畫內容與創意特色

本計畫是建構最真實的比賽場地,利用遠端遙控技術,任何人可以隨時隨地進入競賽網頁進行比賽,參賽者來自世界各地,享受奔馳的快感,主要設計內容分為兩個部份:

(1)實際逼真的競賽場地

本組以最佳的實作能力,搭建真實的場地,例如可設計一個越野叢林,有高山、河流、陷阱等,參賽者必須通過重重的障礙,看誰先到達終點。也可以設計成投籃比賽,兩隊人馬互相比賽誰投入的球多,得到較高的分數。

要如何建構真實的場地,就必須要擁有機械設計、電子電路等知識與技術,就競賽場地而言,可設計一些機關,當使用者碰觸到這機關時,會有意想不到的驚奇,考驗著參賽者的操控與應變的能力,增加比賽時的趣味與緊張,例如在某地點上裝上光源感測器,當使用者操作著車子到達陷阱處,遮住了上方的光源,便可以控制馬達運轉打開陷阱,或是警示燈閃爍。

另一方面,在車子主體上,使用者是以網際網路進行遠端控制,也就是透過網路,連接到伺服端之電腦,輸出無線電波訊號操作遙控賽車。如圖2所示,電腦藉由A/D卡輸出數位訊號,控制繼電器開關,再將繼電器開關裝設在無線電控制模組系統上,便可由遠端使用者下達控制指令,發射無線電電波,如此便能遠端控制遙控賽車。

2.                PC控制開關電路圖

(2)不需要親自到達比賽場地

要讓使用者透過網路,直接在網頁上操作,就必須要有遠端遙控技術,VB語言提供一個“Microsoft Winsock Control”控制元件,在操作程式上設定其相關屬性與方法,便能搭起應用程式與TCP/IP之間的橋樑,設計出本計畫所需的遠端遙控相關技術,也就是用戶端與伺服端之應用程式,基本原理如圖3所示,用戶端之應用程式裡有操作指令選擇,使用者按下控制按鈕後,用戶端便將此按鈕內所設計的命令字串(String)透過TCP/IP傳送至伺服端,而伺服端接收到命令字串後,判斷符合操作命令的副程式,並開始執行操作賽車之副程式,執行完畢後,回傳訊息給用戶端,便完成指定動作。

3. ClientServer基本原理

要由用戶端的電腦控制伺服端的賽車必須將用戶端程式和伺服端程式分別在兩台電腦上執行,此種方法必須先確認用戶端有此專屬程式,對一般使用者來說並不方便,也不具一般性。為了改善此項缺點,本組作品會將用戶端程式架設在WWW網頁上,如此只要透過瀏覽器連上指定網頁,輸入所要進行控制的伺服端IP位址,便可進行遠端遙控,圖4說明網頁互動之模式

4. 網頁互動之模式

為了讓參賽者觀看比賽過程,了解當時競賽的刺激與緊張,增加競賽的趣味性,必須加裝CCD攝影機作為影像回饋,將前方影像透過網路傳回使用者的顯示螢幕上。CCD攝影機稱為荷電耦合裝置(charge coupled device)CCD所拍攝的影像必須經過編碼等動作,將影音資料轉換成一種串流(stream)媒體格式,也就是將影片資料的檔案內容進行壓縮與編碼處理,達到在網路上可以分段傳送,使用者不必等待整個影片傳送完畢,就可達到及時觀賞的效果。如此,使用者進行遠端遙控時,便能藉著及時影像的回饋,同步操作賽車進行比賽。

Microsoft提供一種視訊會議軟體NetMeeting,藉由CCD影像擷取裝置,如影像擷取卡,便能將影像與聲音即時傳播到另一端。NetMeeting提供一個ActiveX control物件,如圖5所示,以HTML語言編寫,便能將NetMeeting程式崁進網頁裡。本組自行撰寫的Client端操作程式與NetMeeting軟體整合成一個網頁,如圖6所示,參賽者進入網頁,輸入ServerIP位址,連接後開始進行遊戲。有關NetMeeting程式詳細內容與相關檔案請參考Microsoft網站。

5. NetMeeting程式說明(a)

5. NetMeeting程式說明(b)

6. 遙控車操作網頁

7. 實作成果

本組作品「網路實況遙控車」實作成果可分為三個部份分別說明之。

(1)比賽場地的設計

如圖7所示,本組的賽車場地分為三層,每一層都有不同的關卡等著挑戰者,有漆黑的山洞、崎嶇的道路以及各種驚險的機關與陷阱,挑戰者從一樓入口處,必須集中精神,隨時注意四周的情況,一步一步通過各種考驗,最後來到了最高層,到達了終點,四周美麗的景色將盡收眼底,勝利的果實會更加甜美可口。

7. 賽車場地設計

(2)遙控賽車的改裝

競賽用遙控車就現有遙控車進行改裝,車子動力與負載是一項艱難的挑戰,動力太小無法通過比賽場地重重的關卡,無線攝影機與發射電路等所需要的電源供應便是車子額外的負載,電源負載太多,車子馬力無法負荷,太少又無法供應有效的電源。圖8式最後改裝完成成品圖。

(a)

8. 車子改裝圖(b)

(3)操作程式的撰寫:

「網路實況遙控車」操作程式分為兩個部份,第一部份為Client端程式,如圖6所示,將之架設在網站上,參賽者直接連結到網頁上,便能進行遊戲。第二部份為Server端程式,如圖9所示,負責等待Client端的連結要求與處理操作指令的執行,有關ClientServer端應用程式相關內容,請參考透過網路遠端遙控LED實驗文章。

9. Server端應用程式

八、參考資料

1.      Http://www.microsoft.com/Windows/NetMeeting/

2.      洪錦魁,1999Visual Basic 6.0,文魁出版社。

3.      黃嘉輝,2000Visual Basic 6 Internet Programming 網際網路與TCP/IP程式設計,文魁出版社。

4.      范逸之、陳立元、賴俊朋,1999Visual BasicRS-232串列通訊控制,文魁出版社。

5.      陳天青﹑廖信德﹑戴任詔 編譯,2000機電整合,高立書局。

6.      徐業良,1997機械設計,全華書局。

7.              陳雙源,古碧源,黃榮堂,龍仁光編譯,1997機電整合導論,東華書局。