第四章 系統架構
4.3 WISE Platform
4.3.2 WISE.cloud.exchanger
國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
圖 18 : 校正姿態設定檔案
當然 Json 的配置和 protobuf 全然不同，無法直接傳給 WISE Middleware，因此 WISE.local.coordinator 也權當轉譯器，將 Json 和 protoBuf 雙邊的資料進行轉 換。Json 轉譯後的 protobuf 資料會透過協定通知 WISE Middleware 進行感覺回饋的 分發，而從 protobuf 轉譯成的 json 則放入 WISE.local.broker 發佈。
4.3.2 WISE.cloud.exchanger
當兩組以上的穿戴式裝置在不同區域執行時，會先透過 WISE.local.coordinator 將區域內的資料收集起來，在讓資料開始交換前會形成互不相連的獨立網路拓撲(圖 19)，要讓彼此間互動就必頇進行區域間資料交換，也開始牽涉到網路配置:
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
圖 19 : 分開的各區域 圖 20 : Fully connected mesh topology
1. Public IP 間直接溝通 : 每組穿戴式的網路環境都配置一組 Public IP，直 接和其他區域進行連線與資料交換，當人數增加後會形成複雜 Fully connected mesh topology (圖 20)。從整體傳輸量評估，將每個區域視為一個網路節點，假設 N 個區 域即有 N 個節點，每個節點資料量都是 M Bytes ，交換資料時每個節點傳送 N-1 次資 料給其餘節點，這樣 N 個節點每次交換資料就有 N * ( N - 1) * M Bytes 的資料在 網路間傳輸，以整個網路環境管控、傳輸成本和向網路連線服務公司(Internet Service Provider)申請 public IP 的難度來說太高，所以忽略此方法。
2. 指定一個區域為公開的主節點，透過其進行交換資料 : 網路拓樸會因此形成 Star Topology(圖 21)，比起全節點設置 public IP，只配置主節點一個 public IP 相對來說容易。而整體傳輸量同樣假設 N 個區域 N 個節點，每個節點資料量都是 M Bytes。交換資料時每個節點傳送一份資料到中央節點，由中央節點統整資料後傳送 N - 1 次至中央節點外的節點，這樣 N 個節點每次交換資料時將有 ( N-1 ) * ( M + ( N-1 )
* M ) Bytes 的資料在網路間傳輸，可以感覺得出雖然傳輸量不變，但只需 N-1 條連 線數大大減少連線數。不過中央節點的負擔較重，易形成瓶頸；可用性(High
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
Availability, 簡稱 HA)較差，一旦發生故障或主節點結束活動，將讓整個網絡都受 到影響。
圖 21 : 基於區域的 Star topology 圖 22 : 基於雲端服務的 Startopology
3. 建立公開的雲端服務，透過此服務進行區域間交換資料 : 現實環境中為了保 持高可用性，大多會在可信賴的雲端配置 Public IP 的服務節點，然後各區域透過此 節點交換資料，可以避免因為節點斷線或掛掉而造成服務失靈，同時可以視需求增加 雲端節點來佈建更具彈性的服務。比照前述假設，這種模式會讓資料傳輸量多出 M Bytes，形成 N * M + N * (( N-1 ) M ) 。
我們將此雲端服務稱為 WISE.cloud.exchanger，除了負責各區域的資料交換外，
同時還兼具連線品質的偵測、回饋。連線品質以封包來回時間(Round Trip Time，簡 稱 RTT) 作為偵測的依據，越低者代表連線品質越好，透過網路傳輸所帶來的延遲越 少，越高則反之。
此外為了避免因單一雲端服務網路阻塞造成所有節點的影像即時性下降，我們在 雲端佈建多處 WISE.cloud.exchange，然後 WISE.local.coordinator 根據 RTT 選擇
‧
低延遲。而 RTT 的計算由各區域的 WISE.local.coordinator 會根據設定檔跟各個 WISE.cloud.exchanger 先行連線，當穩定連線後會定期由 WISE.local.exchanger 發 出偵測 RTT 值的協定，此格式依照 4.2.3 定義的格式，以 get/RTT 的行為，得到所有 以 set/RTT 的行為回饋到各區域的 WISE.local.coordinator，這樣便完成了連線品質 的偵測與回饋。再來便是各區域選擇最佳 WISE.cloud.exchanger 來傳輸。接著設計實驗，架設兩台 WISE.cloud.exchanger，每 10 秒紀錄一次 RTT。第一台 RTT 值長時保持在 10 上下，第二台約在 30 上下，讓 WISE.local.coordinator 進行連 線一段時間後，透過 NetLimit 控制和第一台 WISE.cloud.exchanger 間的傳輸狀態，
將 RTT 調整至 60 上下維持一分鐘後解除限制，觀察傳輸路徑所選擇的 RTT 值，產生 如圖 23 的結果，代表根據 RTT 值可以動態選擇最低延遲來進行傳輸，如此保持了最佳 連現狀態。
‧
4.3.3 WISE.local.broker每個區域內配置一個 WISE.local.broker，負責暫存、過濾與傳遞區域內各個裝 置的即時訊息，實作上以 RabbitMQ 構成，並由另一組團隊完成[9]。透過訂閱 (subscribe)與發佈(publisher) 減少的延遲時間以及訂閱方重複收到訊息的問題。
RabbitMQ 是一種訊息仲介（message broker），所做的就是接收訊息，然後再把訊息 轉送出去。透過 RabbitMQ 這類的訊息佇列系統，可以很容易將分散的資料整合起來
4.3.4 WISE.local.monitor
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
依據資料格式來實作 UI (圖 24)以協助現場人員進行監控，資料中會呈現
WISE.local.coordinator 底下所有的 WISE Item，介面中可以清楚看出各個 WISE Item 現在的情形，當 PPS 降低太多便可即時進行障礙排除。
圖 24 : WISE.local.monitor 的圖形介面
4.4 WISE Display
WISE Display 透過 Unity 開發來佈建虛擬場景和虛擬角色，由 Unity 團隊完成並 已在多處應用[10]。顯示系統會主動向 WISE Platform 訂閱頻道，取得資料，統一進
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
行即時的影像運算後呈現在 Unity 的角色模組上。還可以套用在不同顏色、身高、體 型的模組上，來代表不同使用者(圖 25)。除了影像呈現外，亦會對角色的動作進行偵 測。當模組接觸了虛擬環境中的物體或其他角色時，便會產生反饋的感覺資料，透過 WISE Platform 傳遞到特定的 WISEItem 上，產生出諸如震動、閃燈的反應。此外，
也負責產生沉浸式應用時的畫面，透過 HDMI 輸出到 VR 螢幕上。
圖 25 : 電子肌膚展演中的不同模組
圖 26 : 角色接觸後產生的資料流所引發的震動效果
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
第五章
公開展演 - 電子肌膚
持續不斷地測試與整合後，2016 年 5 月 8 日至 5 月 15 日在台北當代藝術館進行 名為『電子肌膚』[11]的展出。由蔡子傑老師策畫主持、協同陶亞倫老師一起進行團 隊的共同創作，透過沉浸式的虛擬實境與論文中論述的穿戴式系統，讓參與者在虛擬 空間進行互動，並且發揮實質的感覺回饋。體驗中，兩個參與者分別處於兩地、透過 VR(虛擬實境)眼鏡以及 WISE Item，立即將實體身體化為虛擬的身體，投身虛擬空間 進行互動。一切在虛擬空間中的碰觸，也會產生視覺、觸覺、聽覺從而產生感覺的回 饋，使體驗更加真實。
圖 27 : 電子肌膚宣傳海報
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
陶亞倫老師的作品概念以「這是一個光的時代，資訊光形成肌膚表層的光膜，身 體的表層細胞如同像素（pixels）一般，形成有機的發光屏幕。當實體身體得以進入 虛擬的光屏之中，形成了模擬真實體感的虛擬身體，這種快速流動的新型態身體，與 網路空間融合成為一種訊息場域，如同資訊的光與電子，從我們肌膚的最外層，滲透 到身體的神經末梢。穿上電子肌膚，進入以光對談的超現實體驗。」透過以身體作為 聲音及視覺效果的產生器，結合 VR(Virtual Reality 虛擬實境)、肢體偵測器及觸覺 感應器等，將實體的身體轉化為虛擬的身體。藉由網路將不同地點的身體，傳輸到雲 端上，形成一個虛擬身體的虛擬社交場域。彼此可以觸摸對方虛擬身體而引發聲音，
實體身體亦會有真實觸覺的感應。以全新的身體直覺出發，開創全新的科技媒體。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
通過對體驗者的問券調查，獲得體驗大眾的感想，其中大多數享受了身臨其境的 體驗，尤其是加上了震動的回饋後有覺得現實世界與虛擬世界結合在一起。實際展出 的同時我們也收集了許多數據資料來分析系統實際應用時的穩固性和擴展彈性，從結 果來看有相當不錯的成績:
5.1 穩固性 Reliability
因應實際展出中 VR 顯示器必頇和主機以 HDMI 線連接，這樣的物理情形限制了移 動範圍，而為了避免用戶過於沉浸於體驗中而被線絆倒發生意外的可能，我們將下半 身移除，只使用了上半身的 7 個 WISE Item：右手腕、右前臂、右上臂、左手腕、左 前臂、左上臂和腰部。其體驗結果是虛擬世界中的姿勢忠實地反映出來，並保持流暢 的動畫效果，平均 PPS 基本都超過 55 PPS，回饋的感覺也相當即時的由 WISE Item 進 行反應，結果可以說是相當符合穿戴式互動展演的高即時需求。
圖 29 : 實際展演中七個節點的平均 PPS 5.2 擴展彈性 Scalability
實際展出的體驗類型可以分類為三種情形 - 單人模式、多人模式、多人異地模 式，透過調整 WISE Middlware 和 WISE Platform 中 WISE.local.coordinator 和
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
WISE.cloud.exchanger 的組合，可以方便快速的調整出最適合的架構，也表現了系統 的高擴展彈性。
圖 30 : 單人模式
圖 31 : 多人模式
‧
現階段 Raspberry pi 作為 BLE 和網路的中介平台 WISE Middleware 的角色，是為 了能連結儘可能多的 WISE Item，不過如果節點數不多(少於 9 個)的時候，可以考慮 改為較為普及的智慧型手機。智慧型手機不僅能連接藍牙、無線網路，近年來更有許
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
多手機已可支援 VR 顯示，如果能透過串流技術將顯示內容傳遞也可以達成無線化並 取代 VR 眼鏡，在透過無線網路取代有長度限制且礙腳的 HDMI 線，讓線材的限制消失 後就能完整享受全身的沉浸式應用，讓使用者從頭到腳完整投影到虛擬世界之中。
而其餘方面也預期每年都有新的硬體出現，會一代代慢慢的汰舊換新，像
Raspberry Pi 目前已出到第三代，藍牙第五代技術亦準備萌芽。其餘感測晶片也有越 來越多的功能，越來越小的體積。在未來視需求將新增的功能擴充進此平台，經過不 斷地改版加強功能，讓本平台越來越完整，有機會吸引更多人使用。
最後希望能夠結合社群網路，透過社交圈間的吸引力讓穿戴式科技能夠普及，並 再次改變科技生活，尤其當用戶數量多了後便可能出現協議好的標準規範，讓世界上 現存的異質系統更容易透過有力的軟體平台整合，實現萬物聯網、萬眾互動的互動時 代，甚至配合機器人工學，完成遠端遙控機器人的夢想並將之應用在救災方面，相信
最後希望能夠結合社群網路，透過社交圈間的吸引力讓穿戴式科技能夠普及，並 再次改變科技生活，尤其當用戶數量多了後便可能出現協議好的標準規範，讓世界上 現存的異質系統更容易透過有力的軟體平台整合，實現萬物聯網、萬眾互動的互動時 代，甚至配合機器人工學，完成遠端遙控機器人的夢想並將之應用在救災方面，相信