假若真時真亦假-漫談3d電腦繪圖與虛擬實境vr

1、影像與識別 2000, Vol. 6, No.2 漫談3D電腦繪圖與虛擬實境假若真時真亦假漫談3D電腦繪圖與虛擬實境（VR）資策會多媒體實驗室影像與圖形計畫協(xié)同計畫主持人 張文村前言電腦時代的來臨帶給社會莫大的衝擊，不論是企業(yè)組織或是家庭用戶都能感受到它的魅力。而在這電子世界中，3D電腦繪圖（Computer Graphics）以及所謂的虛擬實境（Virtual Reality），使得人們用真實的感官去體驗經(jīng)過設(shè)計的虛假經(jīng)驗或是感覺，而這種所謂的模擬真實將對於生活的各個層面造成爆炸性的衝擊。因此本文便針對3D電腦繪圖以及所謂的虛擬實境等相關(guān)資訊，作一簡要介紹；同時亦對於資策會多媒體實驗室相關(guān)的

2、研發(fā)技術(shù)成果，藉此機會推廣。3D電腦繪圖基本上電腦繪圖為設(shè)計與工程應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用上（例如CADCAM、Desktop Publishing、Data Visualization等）的首要核心技術(shù)，亦為啟發(fā)近代計算機科學(xué)與資訊技術(shù)趨勢之先驅(qū)。而現(xiàn)今電腦繪圖之主要發(fā)展趨勢與應(yīng)用涵蓋了3D視覺化、虛擬實境、模擬訓(xùn)練以及動畫等。這些應(yīng)用領(lǐng)域更涉及了各行各業(yè)的實際作業(yè)範(fàn)疇，例如模擬訓(xùn)練，如汽車模擬駕駛訓(xùn)練，對於交通工具安全方面便又相當(dāng)大的助益（操作畫面見圖一所示）；另外動畫對於娛樂事業(yè)（電影、廣告等）亦有另一種表現(xiàn)方式。到底電腦繪圖對於哪些領(lǐng)域上做了貢獻？以下便就這些應(yīng)用作一簡要說明。l 電腦輔助設(shè)計製造

3、：近年來政府推動工程自動化，因此相關(guān)業(yè)者因應(yīng)市場的走向，開始朝向精密化的趨勢發(fā)展，如何控制成本以及進度，便是業(yè)者著重的目標(biāo)，尤其在一個產(chǎn)品形成之前，如何能在設(shè)計師與業(yè)者間充分達到共識，一個即時展現(xiàn)的產(chǎn)品雛形是需要的（見圖二左所示）。構(gòu)建雛形除了是表達產(chǎn)品意念之外，另一種功用便是預(yù)估分析之用，一般而言，製作一樣原型必須耗費相當(dāng)多的財力與時間，因此電腦繪圖可以取代製作原型之作業(yè)，改由電腦模擬展現(xiàn)與分析。l 資料視覺化：就一般人為讀取訊息的過程之中，圖形訊息的擷取比文字訊息的擷取更能在短時間內(nèi)吸收，這就是資料視覺化的基本原理。基本上視覺化分析早已在科學(xué)界以及部份工業(yè)界大量運用：例如醫(yī)學(xué)斷層討描等、生

4、態(tài)環(huán)境（如臭氧層厚度）分析等，其主要技術(shù)為即時繪圖（平面立體）、統(tǒng)計分析以及相關(guān)領(lǐng)域計算公式，以圖二右為例，便是顯示在某一地區(qū)電視收訊狀況的分布圖，除了表示訊號強度狀況（以顏色表示）之外，另外以一2D平面地圖輔助說明其區(qū)域性。圖一：模擬駕駛訓(xùn)練場景圖二：產(chǎn)品雛形展現(xiàn)範(fàn)例（左）、資料視覺化範(fàn)例（右）l 模擬訓(xùn)練：近年來，許多電腦技術(shù)逐漸大量應(yīng)用於日常訓(xùn)練、醫(yī)療工程、軍方戰(zhàn)爭模擬訓(xùn)練與模擬遊戲上。在這種擬真的環(huán)境下，使用者猶如置身於真實的環(huán)境中，進而產(chǎn)生三度空間之立體感與互動式效果。因此，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)之主要目的，在於輔助現(xiàn)有教學(xué)與訓(xùn)練不足之處，使學(xué)員更有身歷其境之感覺，期能提高教學(xué)之成效。此外，將

5、模擬訓(xùn)練器應(yīng)用於娛樂界，更能感受到電玩族之喜愛。l 動畫製作：看過侏儸紀公園的人，對於電影中許多恐龍飛奔而過的景象仍然記憶猶新吧？那就是電腦動畫的傑作?；旧蟿赢嬍怯梢唤M組連續(xù)靜態(tài)的圖片，以人眼無法察覺間歇狀態(tài)的速度（至少每秒15個畫面以上，一般為2430個畫面）播放。因此動畫是靜態(tài)電腦繪圖的延伸?，F(xiàn)今由於電影製作技術(shù)發(fā)達，以及消費群眾的視覺需求逐漸變大，傳統(tǒng)電影製作方式已經(jīng)落伍了，取而代之的便是電腦動畫。由於電影特殊效果的製作是屬於後期作業(yè)，因此不必顧慮即時性展現(xiàn)的因素，反而可以提升製作的品質(zhì)。圖三為交通大學(xué)應(yīng)用藝術(shù)所製作有關(guān)新竹東門城文化短片之動畫片段，短短的幾分鐘內(nèi)，將新竹東門城的建築作

6、業(yè)，動態(tài)完整地表達出來，各項物件的模型建立（如城牆、城門、樑柱等），以及其運動軌跡（如屋樑的延伸走向以及磚瓦的鋪設(shè)等），都必須有一個完整的腳本以及鏡頭運用規(guī)劃，方能將電腦動畫所提供出來的震撼發(fā)揮到淋漓盡致的程度。圖三：新竹東門城動畫片段虛擬實境（Virtual Reality）所謂的虛擬實境就中文或英文名稱上便可以看出一些端倪：就中文名稱而言，便是似真是假像真的，其實是假的，亦即是憑空捏造出的似真情境；而對於英文名稱而言，則是虛假的（virtual）真實事物（reality）因此我們便對這項技術(shù)下一個廣泛的定義：利用適當(dāng)?shù)墓ぞ?，?chuàng)造一個無中生有的似真環(huán)境。虛擬實境技術(shù)，最早由美國北卡羅萊納大學(xué)

7、於七年代，投注經(jīng)費與人力，從事虛擬實境在醫(yī)學(xué)與化學(xué)方面的應(yīng)用研究。而近年來，由於資訊產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與虛擬實境技術(shù)成熟，此項技術(shù)便被各個領(lǐng)域應(yīng)用所接受，並逐漸普及於商業(yè)界和一般使用者。要創(chuàng)造一個虛擬實境，首重三項要素：互動（Interaction）、融入（Immersion）以及想像力（Imagination），簡稱虛擬實境的3Is（如圖四所示）。其中l(wèi) 互動（Interaction）：有關(guān)感官的刺激與反應(yīng)，對於虛擬實境系統(tǒng)而言，是一項重要需求，不論是頭盔顯示器（head-mounted display, HMD）、手套（data gloves）、或是搖桿踏板等，人機互動是必需的，使用者的一舉一動

8、，都必須在最短時間內(nèi)做出反應(yīng)，以期使使用者感受即時性。l 融入（Immersion）：如前面提及，虛擬實境是憑空捏造出的似真情境，因此要讓使用者完全融入所捏造環(huán)境下，才算是成功的系統(tǒng)。要如何達到這項境界，除了有即時性互動環(huán)境之外，擬真的感觸（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等）也是讓使用者融入的要素之一。l 想像力（Imagination）：既然是憑空捏造的融入環(huán)境，要如何讓使用者充分享受其聲光刺激，場景設(shè)計的創(chuàng)意（creativity）是必需的，否則空有一流的設(shè)備，題材枯燥乏味亦是無用。因此創(chuàng)造力想像力就是使題材生動有趣的強心劑。圖四：虛擬實境3Is要素而針對投影效果的差異性，我們可以將現(xiàn)有VR系統(tǒng)分

9、為四大類：桌上型VR系統(tǒng)（Desktop VR）、融入型VR系統(tǒng)（Immersive VR）、投影型VR系統(tǒng)（Projection VR）以及模擬型VR系統(tǒng)（Simulation VR）（如圖五所示），分別介紹如下：l 桌上型VR系統(tǒng)（Desktop VR）：這種是最陽春的VR系統(tǒng)，所使用的設(shè)備為一般個人電腦所使用的配備，例如螢?zāi)弧u桿、滑鼠、音效卡等，當(dāng)然為求立體顯像效果，3D立體眼鏡亦為必備設(shè)備之一。然而為求更高級的操控效果，3D滑鼠或空間球則有取代傳統(tǒng)滑鼠之趨勢。l 融入型VR系統(tǒng)（Immersive VR）：要達到身歷其境，則必須身處於密閉空間之中，最簡單的方式為利用頭盔與手套，將視覺

10、、觸覺與聽覺與外界隔離，讓使用者完全進入一個與現(xiàn)實世界隔離的擬真環(huán)境。l 投影型VR系統(tǒng)（Projection VR）：融入型系統(tǒng)是足以展現(xiàn)虛擬實境的特色，但缺點是僅供單人使用，多人使用狀況下、須考慮設(shè)備成本以及設(shè)備連線複雜度大幅提高，因此利用大型投影螢?zāi)桓綦x出一密閉空間，便可以提供多人參與體驗虛擬情境。l 模擬型VR系統(tǒng)（Simulation VR）：所謂模擬型，顧名思義是專門作為模擬應(yīng)用之虛擬實境系統(tǒng)，一般可以見到的是遊樂場中配有小型動力平臺之大型遊戲機臺如賽車，飛行戰(zhàn)鬥等，當(dāng)使用者操作時，以油門收放、方向盤操縱桿控制方式，達到視覺、碰撞以及音效等反應(yīng)。圖五：虛擬實境系統(tǒng)分類(a)桌上型、

11、(b)融入型、(c)投影型、(d)模擬型CG與VR應(yīng)用之一虛擬旅遊與網(wǎng)路購物你曾想像到回到侏儸紀時代去看恐龍嗎？你一直想要去法國巴黎觀光看看羅浮宮、凱旋門以及巴黎鐵塔，卻苦無機會？不用怕，這些夢想將會一一實現(xiàn)。其實目前的虛擬實境技術(shù)，已經(jīng)可以粗淺地達到某種程度。利用所謂的影像式虛擬實境（image-based VR）技術(shù)，例如將環(huán)場照片的影像連接起來，以拉近拉遠（放大縮小影像）的方式顯示（如圖六所示），就可以粗略地表現(xiàn)出一個場景瀏覽的現(xiàn)象。但是現(xiàn)在仍有瓶頸需要突破，那就是無法兼顧到顯示品質(zhì)、編輯功能以及即時顯示效能。圖六：影像式虛擬實境原理就目前所能夠達到的品質(zhì)，可以適用於一般展示靜態(tài)物品的案

12、例，例如博物館、藝廊或是定點旅遊導(dǎo)覽等。以圖七為例，使用者進入虛擬藝廊，利用滑鼠或是鍵盤，就可以任意瀏覽在這藝廊中所有他的畫作，不必受苦於人潮擁擠的困擾，自由自在的觀賞。而國外也有這種數(shù)位博物館美術(shù)館的設(shè)立，例如Web Museum，便將一些著名的畫作以及藝術(shù)作品，以電子檔案格式，在網(wǎng)路上展現(xiàn)。圖七：虛擬博物館範(fàn)例如果有看過電影網(wǎng)路上身（The Net），你一定會覺得女主角足不出戶，卻能購買生活日常用品一事，感到非常羨慕吧？而這種在家購物，便是Home Shopping的典型。而現(xiàn)今網(wǎng)路相當(dāng)發(fā)達，各種電子商務(wù)也逐漸興起，因此藉由網(wǎng)路訂購物品便成為新興的事物。從一般的花籃訂送，以至中古貨（跳蚤市

13、場）的交易以及披薩的訂送，在網(wǎng)路上處處可見。這類型商品的簡介以及交易模式在網(wǎng)路上越來越多，讓消費者大眾可以提前享受這種Shopping的樂趣。當(dāng)然以上這些交易模式，必須要從兩方面著手：第一就是建立不滿意退貨的機制，這完全要憑借買賣雙方的誠信、網(wǎng)路資料安全的保障以及相關(guān)法律的制定，以免造成不必要的困擾而第二個則是提供完整的虛擬實境的環(huán)境，可以讓消費者毫不費力地在虛擬商場中拿起商品檢視一番，而以現(xiàn)今技術(shù)，仍有一段距離，這有賴相關(guān)科技，如Internet VR等，便可以達到。資策會多媒體實驗室重要成果在本實驗室成立至今的幾年之中，針對3D/VR相關(guān)技術(shù)之推廣與產(chǎn)品工具的研發(fā)，亦累積許多技術(shù)及成果，以

14、下便列舉一些成果作為簡要介紹：l 3D/VR展現(xiàn)工具：近年來虛擬實境的應(yīng)用相當(dāng)普遍，而各個領(lǐng)域的需求亦隨之增加，但是有關(guān)虛擬實境所需要的場景建置與導(dǎo)覽工具，卻大多是由國外廠商所壟斷，而且大多是只能在工作站上使用，因此本實驗室開發(fā)在個人電腦平臺上使用的3D立體物件編輯與瀏覽套件。目前政府因應(yīng)市場精密化的走向，推動營建工程自動化，因此本項相關(guān)成果目前由源一資訊移轉(zhuǎn)，並加以整合包裝，而成為空間魔法師室內(nèi)設(shè)計軟體，目前頗受好評。同時由於虛擬實境與現(xiàn)有電子產(chǎn)業(yè)開始密切結(jié)合，因此本實驗室亦開發(fā)相關(guān)硬體平臺整合工具，而目前已有期美公司技術(shù)移轉(zhuǎn)，並開發(fā)所謂VR健身器材。除此之外，針對上述所謂的虛擬展覽館（見圖

15、九左），本實驗室亦著手開發(fā)互動式虛擬展覽環(huán)境，提供在一般PC環(huán)境上，展現(xiàn)精緻材質(zhì)以及光影的高畫質(zhì)效能的3D/VR展現(xiàn)功能。而對於一般生活娛樂領(lǐng)域之應(yīng)用，本實驗室亦於去年開發(fā)虛擬水族箱成果（圖九右），利用生物特徵肢體模擬技術(shù)，使得傳統(tǒng)呆板的3D模型物件，變得生動活潑起來，亦增添許多生活情趣。l 音效核心程式庫（圖十）：目前一般個人電腦的音效僅提供左右兩聲道所模擬出之所謂Stereo環(huán)場音效，使用者僅能分辨出平面音源的方向（如左右、前後），並無法產(chǎn)生立體音效；同時因應(yīng)網(wǎng)路多媒體的市場趨勢，高壓縮率以及高品質(zhì)的維持是必要需求。因此在聽覺品質(zhì)要求提升的前提下，本實驗室由國外引進3D音效以及音訊分類檢索技術(shù)，並加以改良，而國內(nèi)知名音效卡廠商驊訊亦移轉(zhuǎn)相關(guān)技術(shù)，生產(chǎn)音效晶片，使用者便可以利用此項技術(shù)身處立體環(huán)場效果之中，享受一場宛如親臨紐約百老匯劇院的舞臺劇，或是聆聽尼加拉瓜大瀑布澎湃的河水湍流衝擊聲響。圖八：VR健身車與空間魔法師展現(xiàn)畫面圖九：虛擬展覽館與電子水族箱成果範(fàn)例畫面圖十：音效核心程式庫結(jié)語自有電腦發(fā)明以來，人類的感官生活便逐漸開始豐富起來。曾有統(tǒng)計資料顯示，在1970年代，所開發(fā)出來的應(yīng)用程式中，大約只有1/10的指令是用於輸出與輸入用途而在現(xiàn)今，關(guān)於處理輸出入指令的比率，已經(jīng)達到85%左右，而且有繼續(xù)攀升的趨勢，足見人類對於輸出入界面以及感官接受的需求，已經(jīng)佔有相當(dāng)重的比例