虛擬實境模擬應用

「模擬」是一種實驗性及應用性的方法論，是具有時間序列的狀態描述的狀 況歷史而組成，因此它是一段既定時間內改變的活動與過程，它反應了這些模型 的動態本質(徐艾琳，1999)[26]。「模擬」是對一環境、物件或設計作一真實或創造 的照片、影像或模型；更狹義的定義是對未來計畫中環境或情形創造一個二度或 三度的影像(李麗雪，1996)[27]。廣義地說，每個人都使用模擬來做日常的決定。

在進行某項行動之前，人們經常會先在腦海中建立一個模型，甚至是一個實體的 模型，以便增加對環境的感知，並且有益於決策過程(陳鴻勝，2003)[28]。

視覺模擬應用之領域相當廣泛，它在景觀、都市設計或建築之設計過程中，

扮演了重要角色，經由模擬的展現作為與業主或一般民眾溝通之媒介。景觀視覺 模擬乃是透過模擬媒體與技術，將設計成果與實際景觀結合，並具體的表現，分 析人類與實質環境之互動關係，協助設計者思考與執行(羅國瑜，2002)[29]。視覺 模擬是二度空間的各種圖集以及三度空間的實體模型或電腦模型；視覺模擬即對 一環境、物件或設計做一真實或創造的照片、影像，或只要能在視覺上表現或創 造其他事物之影像的任何方式均可稱之(邱茂林，1999)[30]。視覺模擬強調的是視 覺上的圖像或形式模擬分析，傳統應用攝影技術如合併、溶入、變形或剪接技術 以求得理想之效果。應用電腦如彩繪軟體、電腦動畫、多媒體或虛擬實境等使得 視覺模擬研究更為方便。

Stephen R.J Sheppard, Ph. D(1989)[31]提到視覺模擬的五項基本原則為 1. 代表 性；2. 精確性；3. 清晰度；4. 趣味性；5. 合理正當性等五項，其說明如下：

1. 代表性(Representative)：模擬應該選擇典型的視點、視野狀況、環境狀況 或計畫案狀況；相同的計畫案也有一些變因，如施工中與建造後完成之差 異與改變，都會影響最後結果。

2. 精確性(Accurate)：模擬與建造後之真實景觀的類似程度，要多正確的模擬 才可以達到與真實景觀評估結果一樣，模擬是一種預測，只能儘量減少誤

差。

3. 清晰度(Clear)：模擬的內容、組成與成果能夠清楚被認知，不清晰的模擬 會降低觀賞者之了解程度。

4. 趣味性(Interesting)：模擬之結果應具備激發觀賞者興趣之能力。

5. 合理正當性(Legitimacy)：模擬結果應可以解釋及說明其正確性，以提高其 受信賴度。

電腦模擬環境提供了適當的媒介來測試大尺度的空間能力。即時的電腦影像 能夠讓使用者在實驗室可提供的範圍內學習大尺度的、動態的、三向度的環境。

除此之外研究者可以藉由這樣的媒介來控制可用的感覺資訊其品質與程度。因為 有逐漸明顯的證據指出對虛擬的大尺度空間內在的呈現，以大多數的基準來說，

效果皆類似於真實世界的空間。虛擬實境(Virtual Reality)是電腦提供視覺、聽覺、

觸覺等感官模擬，使用者可以在其間以即時的方式進行移動游走，並獲得回饋訊 息如同於真實情境般。其中視覺模擬的部份則由一個觀景視窗元素組成，可以精 細表現視窗內各元素之間的相互關係。虛擬環境的出現提供了一個比紙筆測試更 為有力的媒介來測試大尺度的空間能力。因為電腦運算環境允許一個研究者更為 良好的控制刺激的特質。它們提供一個有用的工具以及在空間認知上隔離個別差 異。因此，雖然電腦心理測量學測試並不能預測其效用，然而對於一個實驗的認 知條件與義務，它們可能較傳統的紙筆測試能夠提供更多的資訊。(楊健則，

2002)[32]。

虛擬實境受到重視的原因是其能提供不少好處及許多不同的應用領域(崔興邦

，1994)[33]，如下：

1. 危險及遠端環境操作：

目前尚有許多人工作於危險或艱困的環境中，如具有放射性、有毒或是在外 太空中。在這些環境即可利用虛擬實境的技術透過機器人代理操作，且讓使用者 有親臨現場操作的感覺，而沒有實際的危險。

2. 科學視覺(Scientific visualization)：

科學視覺是提供 3D 電腦圖學工具來幫助科學家分析物質的成份或建立較好 的物體模型。而虛擬實境在此應用最好的例子為 NASA 的 Virtual Wind Tunnel，在 這應用中，科學家用其手指來控制氣流的方向及大小，並利用超級電腦來計算氣 流通過飛機的狀況，科學家可以觀察到飛機的穩定性。

3. 建築視覺(Architectural Visualization)：

以往雖然購買者可由 2D 的圖片或影片看到未來房子的景象，但是就是欠缺 臨場感，利用虛擬實境的技術就可以提供購買者身臨其屋的感覺。其他類似的應 用還有虛擬藝廊、數位博物館、數位美術館，甚至藉由 Internet VR 提供完整的虛 擬實境環境，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，透過網 路訂購物品。

4. 設計(Design)：

許多設計都牽涉 3D，例如汽車外型的設計，但是使用傳統的輸入方式(如滑鼠 )及顯像方式，會造成設計者在設計上有某些方面的困難。但若利用虛擬實境的自 由輸入裝置及立體呈像技術，即可給予設計者相當好用的介面。

5. 教育與訓練：

飛行模擬器是此一方面應用最佳的範例。最近在美國醫院或是特殊教育中心 也利用虛擬實境系統來幫助智能不足或人格異常的學童，讓他們透過在虛幻的世 界裏遊玩來進行治療。其他類似的應用還有虛擬社區網站裡的虛擬情境學習，可 以把真實世界中的學習環境(如教室、辦公室或戶外)及學習活動，完整且真實的搬 到網路上進行(葉耀明，2001)[34]。

6. 娛樂(Entertainment)：

雖然在娛樂方面的虛擬實境系統的技術，看似較低階的，但卻是推動整個虛 擬實境技術發展的動力。目前虛擬實境系統因其價格過高，所以安裝的數量過於 稀少，但是娛樂的虛擬系統必須將價格降低及發展較好品質的效果來增加競爭性

，故會帶動整個技術及產業的發展。目前機種是以 PC 為平台，再搭配高效率的 繪圖卡、頭戴顯示器及操控的平台組合成娛樂用的系統。

7. 虛擬實境與避難

由於避難過程中人員通常處於驚慌狀況，甚至還會有傷亡發生，對於事後的 調查亦難以掌握避難當時的心態。因此，模擬變成為一個適當的分析方式，它可 以模擬過程中的相關細節，也由於真實避難有其風險性，以真人實際進行模擬並 不可行，故以往有關避難模擬之課題，皆在於討論避難行為、避難計畫或是避難 時間計算等。由於數位時代的來臨使得電腦軟硬體功能與技術的進步，許多以電 腦來輔助避難模擬之討論方法已經出現，商業用的套裝軟體也陸續的被開發中，

電腦輔助避難模擬能在非真人參與的情形下，模擬人員在緊急狀況下之避難過程

，據以分析避難過程之每一個問題點。有關避難模擬之方法，大致上可以分為視 覺模擬及數學模式兩種方式。數學公式模擬方面，目前國內建築物防火避難安全 性能驗證技術手冊即為首要方式；而視覺模擬部份則又可細分為數值動態模擬與 即時虛擬實境兩種，目前避難主要商用軟體均為數值動態模，例如：Greenwich 大 學消防安全工程系(Fire Safety Engineering Group)所開發的 Building EXODUS、英 國 Edinburgh 大學所開發的 SIMULEX。EXODUS 是模擬人群疏散的軟體，它使用

「個體式模擬」方法，最多可以處理 1000 人，可用來研究公共空間的疏散人群能 力，架構由人員(Occupant)、移動(Movement)、行為(Behaviour)、毒氣(Toxicity)、

危險場(Hazard)及幾何空間(Geometry)所組成，人員前進的動作和行為決策均是由 這些子模式所決定。SIMULEX 則以 C++程式語言撰寫研發之電腦動態避難模擬軟 體，適用於結構複雜的大型建築物，使用 0.25×0.25 平方公尺的精細格點，每一個 格點均與 16 個格點相鄰之介面，模擬有四種基本假設。在逃生速度上，人員步行 速度會受前方他人影響，而使人員之避難速度改變(Thompson, Peter. A.，1995)[35]

。

虛擬實境系統最大的突破在於讓使用者置身於電腦虛擬的空間裡，任意的移 動，瀏覽空間的變化並提供互動式的選擇模式，達到「身歷其境」的效果，而應 用於避難模擬時楊致祥(1997)在「公共空間避難逃生之虛擬實境模擬研究」以防火 避難為例，建構虛擬場景，依人視點高度，模擬人於環境中避難路線、能見度及

避難標示構件，藉由電腦虛擬實境技術，參考修正傳統災害防治之平面式之規劃 盲點。張書維(2004)[36]在「體育館空間避難路徑之視覺模擬研究」中則以 FORM-Z 3.8、3D MAX 5 及 AUTO CAD 2004 等電腦軟體之輔助及避難行為、人員擇路模 式及避難速度等理論所建構的「動態視覺模擬」方法模擬九十位虛擬避難人員在 空間內的避難行為，除了模擬人員間碰撞及遲滯現象外，並討論避難過程中，避 難行為、避難路徑與建築空間三者關係。

8. 建築物火災電腦模擬

火災現象是一種相當複雜的現象，不僅包括物質受熱分解、揮發後與空氣混 合和燃燒等過程，還包括因燃燒產生高溫所引起的熱傳以及氣體流動的過程。因 為火災現象包含了許多物理及化學的過程，而這些過程的 scaling 定理並非一樣，

所以最多只能部份模擬。因此，想從模型實驗所得到的資料來定量解析全尺寸的 火災就有困難，也就是說模型實驗並不能完全模擬火災現象。(楊致祥，1997)[37]

在火災研究上可以使用電腦模擬方式來彌補模型實驗的缺點，而模擬方式分 為兩種：區域模式(zone model)、場模式(field model)。區域模式是將建築物內的空 間區劃分成若干區域，每個區域內的流場及物理化學性質假設是均勻的，不同區 域的性質則不一樣，區域間的動量、質量以及熱量交換率則由動量通量、質通量

在火災研究上可以使用電腦模擬方式來彌補模型實驗的缺點，而模擬方式分 為兩種：區域模式(zone model)、場模式(field model)。區域模式是將建築物內的空 間區劃分成若干區域，每個區域內的流場及物理化學性質假設是均勻的，不同區 域的性質則不一樣，區域間的動量、質量以及熱量交換率則由動量通量、質通量