水平視覺範圍擴展

人類立體雙眼視覺所能觀看的範圍為水平角度 124 度，垂直角度為 120 度(Schiffman, 2000)，但在桌上型顯示器或投影機所顯示的視覺範圍和真實人類視覺所能觀看的範 圍有明顯的不足。對於瀏覽者自行導覽空間時，較無法從窄小的視覺範圍裡，觀察 到較多的空間因子，因此在視覺的呈現上，應提供如實體空間中，人觀看空間時之 相同的視覺範圍，以利瀏覽者對所處空間有更多的空間資訊可以更直接且容易的觀 察。然而，在現今主要的空間呈現媒材在螢幕的視覺呈現上仍以 4:3 的比例為主，

尤其是以投影方式的視覺比例，以及為了要讓空間呈現出來的視覺範圍較接近人類

雙眼視覺，可視範圍設定為 90 度(Galán-Diaz et al., 2006)，但在這樣設定的基礎下，

CPU： 英特爾 Intel Pentium 4 631with HT 3.0GHz 主機板： 華碩 Asus P5K SE

記憶體： 創見 Transcend 1G DDR-2-800 顯示卡： 華碩 Asus EN8600GT 256Mb PCI-E 作業系統： Windows XP Professional

立體投影規格

投影螢幕 120 半透明壓克力背投影螢幕 投影機 PLUS U2-X1130

4. 空間視覺化系統

圖 4.3：三面螢幕組成的空間模擬器

圖 4.4：三面螢幕之硬體架構圖 網路連線

透過增加顯示螢幕的方式來擴展水平視覺範圍，但系統的主要控制仍以一部伺服端 電腦為主，其客戶端只是將伺服端傳送過來的物件位置更新，並及時的呈現位置更 新後的視覺畫面，所以此系統在執行的一開始，會先確認那一部電腦為伺服端電腦，

那些是客戶端電腦。之後客戶端電腦透過列舉（enumeration）方式建立起與伺服端 電腦之 TCP/IP 的網路連線。圖 4.5 為伺服端與客戶端之網路連線的 channel 程式，

最左邊的三個單一 channel 串連是此網路程式的起點，主要是要取得網路卡號，建立 每部連線電腦的唯一識別碼。中間部份的程式碼則是依按鍵的選擇，建立或移除伺 服端電腦或客戶端電腦的連線。最右邊的程式碼則是回應目前的網路連線狀態。

圖 4.5：伺服端與客戶端之網路連線程式

伺服端與客戶端建立網路連線後，因其它客戶端電腦只是及時顯示的各自負責的不 同視覺角度的影像，所以，在此系統是建立一個名為 Cube 的虛擬物件，透過 Network Matrix channel 將物件 X、Y、Z 的座標(position)、旋轉(rotation)與尺度(scale)之矩陣 參數傳送到每部連上伺服端的客戶端電腦，伺服端裡同樣有個對應 cube 的虛擬物 件，伺服端的虛擬物件之矩陣參數有任何改變，客戶端也會即時的跟著改變，而在 這的及時改變，必需考慮到三個畫面能否同步(synchronization)，所以在 Network Matrix channel 裡需設定成 Time Adjusted，系統會每 50 毫秒(millisecond)做一次同步 校正。

圖 4.7：三部攝影機之夾角關係 圖 4.6：Network Matrix 與內部 Time Adjusted 的

設定 攝影機架設

水平視覺範圍擴展目前大多以連接多重螢幕(multi-screens) 的方式解決(工研院, 2002;

Shibano et al, 2003; Liu and Tang, 2003)，其構成方式，目前可分為平面型、ㄇ字型、

ㄇ字外擴型與圓弧形(圖 4.8)等，而呈現出來的影像角度也會不同，如是三面螢幕為

4. 空間視覺化系統

架構的平面型擴展，運算視覺不同畫面的攝影機只要將其平行位移即可。ㄇ字型架 構的則是三部攝影機相互呈現垂直關係，朝左、上、右三個方向。ㄇ字外擴型則是 左右螢幕會比ㄇ字型架構更為往外張開，攝影機彼此間角度則小於 90 度(圖 4.7)，視 左右二面螢幕外擴程度而定。圓弧形架構則視圓弧形之包覆性而定，如是半圓弧形 的投影面，攝影機的架設方式則和ㄇ字型相同，但要輸出的影像要處理弧形面形變 的問題。

在單一攝影機的視覺呈現範圍，主要受視覺範圍(FOV)與焦距之參數的影響，焦距越 短，其呈現的水平視角與垂直視角越大，但同時透視越大，越容易造成透視影像形 變，而焦距越長，雖然相對較不會有影像形變的產生，但是卻也壓縮了水平與垂直 的可視範圍。本系統所使用架構為ㄇ字外擴型，三面螢幕彼此之間的夾角為 120 度，

如果三部攝影機彼此以 60 度為夾角，剛好三部攝影機的中心位置與螢幕中心點位置 呈 90 度的關係，如圖 4.9 之左圖。但在這位置上的攝影機之 FOV 必須設定為 60 度，

才能讓三面影像剛好連接起來。然而，FOV 為 60 度，則其焦距為 31.17mm，雖有比 焦距 18mm 長一點，但這樣的設定還是容易造成呈現的影像產生形變，且三部攝影 機加起來的 FOV 則為 180 度，已經遠大於人類水平立體視覺的 124 度。因此，如何 在這樣的投影螢幕架構下，讓水平視覺範圍呈現在 124 度，得必須縮小每部攝影機 之 FOV 到 41.3 度左右(41.3X3 趨近 124) (圖 4.9 之右圖)。然而，在投影螢幕彼此夾角 呈 120 度的條件下，攝影機之水平 FOV 41.3 的角度，雖可在呈現 124 度的人類立體 水平視角，但除了中間攝影機可以正投影在中間螢幕上，左右兩攝影機的影像投射 到螢幕上無法以正投影方式投向螢幕，會產生有近 20 度的影像偏差，除非改變投影 螢幕彼此之夾角約為 140 度，或類似圓弧投影之影像修正。

在第三章之空間實驗中，單一螢幕，焦距 18mm，呈現 FOV 90 度的水平視覺範圍與 FOV 73.74 的垂直視覺範圍，而在本系統中，水平視覺範圍擴大至三螢幕之焦距 47.7mm FOV 123.9(41.3X3)度，接近人類水平視覺範圍的 124 度，但垂直視覺範圍沒 有相對擴展，反而降至 31.6 度，壓縮了觀看者或瀏覽者對垂直視覺向度的觀察範圍。

圖 4.10 則是三部攝影機所呈現出來的三個畫面影像，左右兩端之影像因左右攝影機 與中間攝影機呈 41.3 度之夾角，中間畫面影像裡的階梯連接到左右影像時，呈現出 左右起翹的變形，這是因為左右畫面影像被攤成與中間畫面在同一平面所致。

圖 4.8：多重螢幕之構成方式由左至右為平面型、ㄇ字型、ㄇ字外擴型與圓弧形

圖 4.9： 左右兩圖為 FOV 180 度與 124 度之攝影機視點

圖 4.10：三部攝影機所呈現出來的畫面

Quest 3D 裡攝影機的焦距設定是由攝影機節點底下的 ProjectionMatrix channel 之 factor 決定，但此參數的設定與一般我們所認知的焦距參數的不同，因此，在這裡我 們必需推算出 factor 所對應的實際焦距，亦才能知道 Quest 3D 裡攝影機的 FOV 為多 少，其推算的方法是我們先在 3D max 裡建立一個貼有方格的材質場景，同時架設 好一部焦距為 20 的攝影機，畫面比例為 4:3，然後再將此一場景匯入 Quest 3D，然 後在 Quest 3D 裡建立與 3D max 有相同位置的攝影機，再根據 Quest 3D 裡的可視範 圍，調整 factor 參數，直到呈現畫面與 3D max 裡的畫面相同為止，最後我們得出來 的結果是焦距為 20mm 則 zoom factor 為 2.4，焦距為 50mm，zoom factor 為 6(表 4.2)，

因此，焦距的轉換率為 焦距

×

以接近一般所認知的焦距(圖 4.11)，而非一個難以對應的視角參數。

4. 空間視覺化系統

表 4.2 focal length 與 zoom factor 的推算

3D MAX Quest 3D focal length = 20 mm zoom factor = 2.4

focal length = 50 mm zoom factor = 6

圖 4.11：攝影機焦距參數轉換