虛擬實境

虛擬實境(Virtual Reality)是藉由電腦建構出一3D虛擬的環境，並由特殊 的使用者介面讓人與擬實境環境產生互動，是電腦科技發展與應用的一項新領 域。目前對於虛擬實境並沒有一個統一的定義。表2-5-1摘錄不同研究學者對虛 擬實境的定義。

表2-5-1 不同研究學者對虛擬實境的定義列表

Pantelidis (1993)

強調構成三要素，學習者能本身親自參與、

互動性高、以電腦為主的多媒體虛擬世界。

Latha(1991)

虛擬實境是一個經由電腦和其周邊設備共 同創造的，具備真實度、個人控制、可預測 的環境。

Zeltzer(1992)

根據自主性、存在性、互動性等向度，藉以 界定虛擬實境提供學習者不同沉浸的程度。

依構成要素定義

Burdea&

Coiffet(2003)

提出虛擬實境環境應具備三個「I」特性，

即浸入度(Immersion)、互動性

(Interaction)、想像力(Imagination)。

依使用者介面

Summitt&

summitt (1996)

虛擬實境是一種使用者的經歷，就如同電話 可延伸我們的聽覺範圍，相對的虛擬實境則 可延伸所有的感官範圍。

Heim(1996)

虛擬實境是一個事件或實體，具有真實的效 果但並非真正的真實，先決條件是要人類感 官信任這個真實效果的環境。

（彙整自唐文華、李汪曄、梁朝雲、李恩東，2009）

二、虛擬實境的發展與涵義

虛擬實境最早之研究出現於1970年代的美國麻省理工學院，是由當初電腦圖 學之父也是虛擬實境之始祖sutherland所設計。當時主要是以3D電腦繪圖技術加 上多重感官的互動式人機介面，並用高解析度來呈現的立體空間與模擬事物 (Pimental & Teixeira,1993，朱賢良、張宏生，2002)。但「虛擬實境」一詞的 出現最早卻是由Jaron Lanier於1989年提出的構想。虛擬實境是指運用電腦科技 產生具有3D的立體空間，使用者可以和這個空間事物進行互動，而不知置身於電 腦模擬的世界(周文忠，2005)。所以虛擬實境在概念上與人造真實、虛擬環境等 名詞相似，皆強調在網路世界下創造的擬真環境(陳玉欣等，2007)。此外虛擬實 境主要是藉由電腦創造一個虛擬或模擬真實的環境，經由視覺、聽覺、觸覺、或 嗅覺的再造，較容易產生多重感官多覺刺激，經由此充滿立體感、層次感的環境 中去探索事務，往往較能讓互動者有身歷其境的高度真實感受(Jonasson,2003)。

李汪曄等(2008)由功能特性的觀點來描述虛擬實境，認為虛擬實境是由3D 電腦繪圖、3D音效與其他感知介面，所造成的一個模擬環境，以用來創造一個擬 真的虛擬環境；人可以在其中甚至虛擬的環境互動。所以虛擬實境在許多方面的 應用受到重視，且因當處在一個虛擬而逼真的環境中，不但可以達到近乎真實的

效果，又可以免除真實環境中的危險性和成本消耗的特性(唐文華，1996)。另外 根據chen & Winn(2005)及Schwienhorst(2002)的指出，虛擬實境具有非線性化 的多元內容呈現，與多元互動介面設計的媒體特色，並能由多人互動合作、參與 的可能性，及開放性的互動情境模式。

虛擬實境將3D建模表現得淋漓盡致，具有三度空間的真實物體質感，所以透 視狀況較真實，操作者能擁有不同視點觀察角度，且身歷其境的融入仿真的虛擬 空間，而本研究的虛擬實驗藉滑鼠及鍵盤工具進行操作，更是合乎使用者的直覺 性、自然性操控，讓使用時易上手進行實驗試驗。

三、虛擬實境的類型

Burdea & Coiffet(2003)提出虛擬實境應具備三個「I」特性：即浸入度 (Immersion)、互動性(Interaction)、想像力(Imagination)。

1、浸入度(Immersion)：一種能使操作者身歷其境的感受。

2、互動性(Interaction)：人與機器可以產生互動。

3、想像力(Imagination)：操作者在人機介面的媒介接觸過程中，所引發的 影響與意義。

圖2-5-1 虛擬實境三要素 (資料來源：梁朝雲、李恩東 1998)

虛擬實境三要素當中以想像力(Imagination)最受到特別強調，因為虛擬實

境不只是一個媒體，為了解決特定問題，這些應用的開發會著重創意，因此人類 的想像力，將對應用的領域產生影像而非只是純粹作為溝通的媒介管道而已(梁 朝雲、李恩東，1998)。紀大任(1997)將前述虛擬實境具備三個「I」的特性外，

又另外加上Internet網際網路的特質，構成所謂四個「I」組成要素，以強調網 路的重要性與必要性。

圖2-5-2 虛擬實境四要素 (資料來源：紀大任 1997)

陳玉欣、于富雲(2007)、Jonasson(2003)則依照提供互動著不同的沉浸程度 將虛擬實境分為三類：

1、 浸入式虛擬實境(Immersive VR)：藉由頭盔式顯示器、感應手套，並配 以追蹤系統，以及時展現電腦創造之互動空間與物件反應。

2、 桌上型虛擬實境(Desktop VR)：多由桌上型電腦，配合軌跡球或操桿、

滑鼠、鍵盤等不同輸入系統，以展現立體的視覺影像，營造使用者遨遊 螢幕內的感受與經驗。

3、 擴增實境(Augmented VR)：用於軍事演練、戰鬥機飛行等訓練課程，近 年來則逐漸受到學術界的青睞。

陳彥智、徐新逸(2004)、許秀影等(2000)、陳道欣等(1999)依照技術製作形

成的方式運用於虛擬實境影像呈現，將虛擬實境大致歸納為下列三類：

1、 影像式虛擬實境(Image-Based VR)：影像式虛擬實境又分為環場全景 (Panorama)與物件(Object)兩類，所有模擬的真實環境或物件以相機拍 攝360度環繞連續相接的照片，經由電腦軟體接縫後處理轉檔，使用者其 視點便是位於虛擬世界中央，隨著使用視點的移動、放大、縮小。使用 者在虛擬空間中的移動是一連串圖像轉換的結果。優點是不需要3D立體 軟體，因此製作簡單、影像品質較細膩，便於單純目的使用。缺點則是 立體性較差，視覺上會因為廣角造成左右兩端變形且可應用範圍較小。

2、 模型式虛擬實境(Model-Based VR)或幾何式虛擬實境(Geometry-based VR)：所有虛擬實境架構中場景皆由3D模型模擬建置而成，可讓操作者使 用時彷彿置身其中，優點是每個物件皆真實存在場景，所以非常容易設 定其行為與互動方式，因此自由度較高。但是每個物件皆由3D模型建構 而成，每一張畫面都需要電腦做即時算圖才能得到，當場景過於複雜時，

使用者所看到的動作就會產生延遲，且須具備有高速之CPU和較昂貴的3D 圖形加速卡及良好美工設計能力，才能完成此類型的虛擬實境場景。不 過現今電腦科技日新月異，硬體設備普遍獲得改善、價格也較合理化，

此一層面所顯現問題反而漸漸減小。優點是較具立體性、模擬狀況較逼 真、可應用範圍較廣。缺點則是建造3D模型及場景需要耗費較多精力與 時間設計、另外電腦的硬體配備程度會影響虛擬實境中物件執行的效果。

3、混合式虛擬實境(Hybrid VR)：混合式虛擬實境具備了「幾何式(或模型 式)虛擬實境」的互動性與「影像式虛擬實境」的真實性，運用真實影像 縫合後製過的場景再加入原場景中不存在的物件並設定此物件的互動行 為，這樣混合式虛擬實境可以具備真實性又可不需要經過複雜的計算程 式就有具備互動性的效果，而且場景是可以呈現景深的立體效果。

本研究採模型式虛擬實境方式建構物理實驗室，由3ds Max建模軟體繪製場 景物件及Virtools虛擬實境整合軟體，所設計的桌上型虛擬實境，透過滑鼠、鍵 盤的輸入介面，展現立體的視覺影像效果，營造使用者於物理實驗上感受與經驗。

四、虛擬實境於教育上的應用與成效

在我們生活週遭，虛擬實境技術已經被廣泛應用於日常生活中不同的領域，

一方面因為虛擬實境的軟體功能增強，另一方面適用於虛擬實境系統的個人電腦 (PC)的價格逐漸降低，使得虛擬實境的技術在各個領域逐漸受到重視與應用。諸 如軍事、醫學、娛樂、教育訓練、工程設計、商業活動……等。在軍事上如航空 飛行訓練模擬器、戰甲車模擬戰場射擊、軍事演習；醫學上例如外科手術、人體 構造模擬、超音波顯示系統、復健輔助系統、外科手術等；娛樂上如電腦線上遊 戲、互動式電影、線上主題遊樂園模擬等；工程設計上如室內設計、建築規劃、

橋樑工程模擬測試；教育應用上則有虛擬科學實驗室、遠距教學、虛擬天文館等，

而商業活動上例如廣告、虛擬會議、財務分析等。由此可得知虛擬實境在日常生 活中的運用層面寬廣且和我們週遭息息相關。

虛擬實境的設計軟體及電腦在硬、軟體都已發展的相當成熟，應用於教學 上，可以彌補傳統教學媒體上的不足，且改變了傳統知識的儲存、傳播、提取方 式，所以在教育應用上有許多無可取代的功能性。又加上現今網路的蓬勃與普 及，若將虛擬實境充分的應用於教學，可以在教育上開拓一個新的學習途徑，使 得網路學習的環境更臻完善。對於虛擬實境在教學上的應用，黃仁竑(1995)、歐 陽明等(1995) 歸納出下列幾項優勢的成效：

1、提高學習興趣與及增強學習動機：利用虛擬實境的技術所製作的虛擬世 界、圖畫加上互動的關係，這樣學習環境可讓學生在學習過程中產生學習 興趣。

2、身歷其境地融入學習環境中：利用虛擬實境技術提供的學習環境具有如身

歷其境的真實感受。

3、提供新觀點與提供學習的自然界面：利用虛擬實境的接觸，可以提供對事 物不同角度與觀點，引發學生新的思維，且利用身歷其境的虛擬世界，可 以減少平面資料呈現，進而轉換為適合學習吸收的心智模式。

除上述優勢外，陳彥智、徐新逸(2004)認為將高互動操控的虛擬實境特性應 用於教學上，會有下列特點：

1、遊戲化─模型式虛擬實境的高互動性，讓學生如玩遊戲化方式進行探索 教學，可以持續學習動機與探索動力。

2、模擬化─運用虛擬實境所具備高擬真度的特性，包括立體空間的透視、

物體質感與物理性運動狀況，例如碰撞、彈性運動、浮力、力學運動等。

所模擬出來的空間與實際透視，可以協助學生在互動的狀況下觀察學習。

所模擬出來的空間與實際透視，可以協助學生在互動的狀況下觀察學習。