第四節 第四節
第四節 虛擬實驗室場景建置 虛擬實驗室場景建置 虛擬實驗室場景建置 虛擬實驗室場景建置
虛擬物理實驗室的建置當然有賴於虛擬實境軟體的協助，但傳統的開發工具 多是為具有程式設計背景的工程師而研發， 如V R M L 、J a v a 3 D 等需要 撰寫程式碼才能運作， 對於不具程式背景的開發者而言，想開發虛擬環境之前，
還要先受過程式設計的訓練才能勝任，門檻實在相當高。所幸，目前許多虛擬實 境開發軟體出現，這些軟體的共同特色就是，讓沒有任何程式基礎的人也能夠進 行虛擬實境的開發，使用者只要專注於內容的設計，不需要直接面對程式設計的 問題。以下將較常見的虛擬實境開發軟體之比較列於表3-4-1。
表3-4-1常見的虛擬實境開發軟體比較表
Cult3D EON Studio Virtools 最新版本 5.3 5.2 4.0 Web Player 免費 免費 免費 是否支援3DS Max 是 是 是 行為模組 40種 100種 500種
壓縮功能 有 有 有
支援資料庫 有 無 有
支援資料串流 無 無 有
動作編排 無 無 有
發佈網頁 有 有 有
Cult3D是由Cycore公司於瑞典所開發，Cult3D可以讓使用者在網路上創造出 具有互動性的3D物件。雖然Cult3D在國外網站上運用相當廣泛，但大部份都用來 做商品的展示，例如汽車、攝影機、珠寶、手錶與運動用品等商品，且美中不足 的是Cult3D不支援3DSMAX。
EONStudio為 EONReality公司於瑞典所研發，針對一般桌上型虛擬實境系統 所設計的，樹枝狀的設計介面，只要拖曳所需的行為模組並設定參數，就可以簡 單地達到互動的效果。行為模組約一百種，但如果行為模組不敷使用時，需購買 SDK版的Studio才能來開發模組。
Virtools 是一套由 Virtools公司於法國所研發出來的虛擬實境整合軟體，
由於其超強的開發功能與後端的整合能力，目前已成為虛擬實境的主流之一。流 程圖式的編輯介面與超過五百個以上的行為模組，可以輕易地滿足無程式背景的 使用者， 使用者只要拖曳內建的行為模組，便可建構複雜的互動行為。
評估上表三套虛擬實境軟體， Virtools 具有較多的行為模組，在互動性方 面較Cult3D與EON Studio高出許多，由於虛擬物理實驗是需要較多互動與操作，
而且也提供動作編排及資料庫的支援的功能，尤其是支援資料串流的功能，可讓 使用者一邊瀏覽一邊下載，有利於虛擬物理實驗室在網際網路上的推廣，所以本 研究選擇Virtools為虛擬實境開發工具。以下即介紹本研究所採用之虛擬實境開 發軟體Virtools。
一、Virtools 簡介
Virtools 是一套虛擬實境整合軟體，可以將現有常用的檔案整合在一起，
如 3D 的 模 型、 2D 的 圖 形 和音 效，也可 以 將 工業用 CAD/CAM/DCC 檔 案 (如 Solidwork、AutoCAD、Catia、Pro/Engineer 等)或 3D 軟體所設計的模型轉成 Virtools 可使用的檔案格式.nmo。Virtools 是一套具備豐富行為模組的即時性 3D 環境、虛擬實境編輯軟體，可以製作出許多不同用途的 3D 產品。
Virtools 的最大特色在於「互動行為模組」（Building Block），虛擬環境 的建置感覺就像堆放積木一般，可以利用 Drag & Drop 拖放方式將內建的互動行 為模組賦予在適當的物件或角色上，並以流程圖的方式決定行為模組的處理先後
順序，逐漸編輯組合成一個完整的互動式虛擬世界，因此可以輕易地滿足無程式 背景的使用者，軟體入手的門檻相對的較低。Virtools 基本就擁有超過 500 個以 上的互動模組可供運用，經由編輯後的互動模組群環更可以組合成一個新的單一 互動模組以方便重複使用、編輯。而具備程式背景的設計師，也可利用腳本 (Script)撰寫程式模組，就可控制場景裡的任何物件，在 3D 環境的建置設計上 具有相當的彈性。
圖 3-4-1 Virtools 流程圖
Virtools 的編輯介面如圖 3-4-2 所示，編輯介面可分為：
1. 主選單：在主選單中可以操作檔案開啟及儲存、資源庫的開啟、視角的轉 換、使用者的設定等功能。
2. 操作介面：虛擬場景建置之主要編輯功能選鈕，可操作模型的移動、縮放、
旋轉，插入燈光以及 2D、3DFrame 等功能。
3. 場景顯示視窗：虛擬場景編輯時物件顯示的視窗，可由使用者切換視窗。
4. 行為模組視窗：軟體中內建之行為模組，藉由拖拉行為模組即可建立場景 中物件的互動行為。
5. 檔案資源管理視窗：虛擬場景中所加入的物件的 3D 模型，材質，貼圖，
燈光…皆會依序分類存放於此，以利使用者編輯。
圖 3-4-2 Virtools 介面外觀
研究者選擇 Virtools 為 3D 虛擬環境建置軟體，整體來說是因為 Virtools 包含了下列幾項優點：
（一）檔案資源管理(Level Manager )清晰：在Virtools操作介面當中，所有物 件的檔案，都會依照分類顯示在各個不同的部分（如圖3-4-3）。例如 3D 物體就會在 3D Objects分類顯示，燈光會顯示在Light的分類中，攝影機 會顯示在Camera的分類中等，方便使用者管理檔案中的資源。在Virtools 中，一個檔案可以包含許多不同的場景(Scene)， 而場景可以依需要再動 態加入至目前所開啟的檔案中。
圖3-4-3 檔案資源管理圖
（二）行為模組資料庫( Building Block Library)：內建超過500個以上的行為 模組，使用者只需要以拖曳的方式就可以套用在物件上 （如圖3-4-4）。
此外使用者也可以利用現有的行為模組，組合再建立一個新的行為模組，
此新的行為模組可以另外獨立儲存成一個檔案，以供其他使用者或是在其 他專案上使用。因此使用者使用相關的模組即可輕易建立簡單的3D虛擬環 境，軟體的使用門檻較低，可相對節省人力及時間的耗費。
圖3-4-4 行為模組資料庫圖
（三）除錯工具(Debug tools )：使用者在編輯行為模組的過程中，可以隨時利 用除錯工具，檢視是否有邏輯上的錯誤並加以修正，以達到最佳的狀態。
（如圖3-4-5）
圖3-4-5 除錯工具圖
（四）物件參數設定介面(Entities setup )：每一個物件都有自己的設定介面，
依照每一類別的不同而有不一樣的參數可以修改 ，如3D 物體的參數設定
介面中，可以修改位置座標、旋轉角度、比例大小...等資料（如圖3-4-6）。
圖3-4-6 物件參數設定圖
（二） Profiler：可以讓使用者得知執行時計算時間的分配如何、有多少個物 件正在處理中、貼圖使用了多少mb的記憶體...等（如圖3-4-7）。
圖3-4-7 Profiler設定圖
（三） Virtools SDK：Virtools SDK 具有可新增自訂的行為模組、可整合編譯 成標準的執行檔、可運用行為模組資料庫的原始碼加以增刪修改、可存取 多樣化的媒體格式（如圖 3-4-8）。
圖 3-4-8 Virtools SDK 設定圖
二、Virtools Physic Pack
本研究所建置的虛擬物理實驗室主要藉由滑車的運動探討動量守恆及機械 能守恆定律，為了模擬真實世界的碰撞情形，物件的物理屬性設定相對顯得重 要，而 Virtools 所整合的 Physics Pack（如圖 3-4-9）正好符合這樣的需求，
有關於 Virtools Physics Pack 介紹如下（引自愛迪斯網站）。
圖 3-4-9 Physics Pack 設定圖
Virtools PhysicsPack 整合了 Havok 公司頂尖的物理屬性引擎，使得 Virtools 的使用者在製作 3D 互動場景的過程中更加便利。Virtools Physics Pack 包含 了 29 個新的行為模組 ( Building Blocks，簡稱 BB)，提供使用者多種物理屬 性的運用，諸如重力、質量、摩擦力、彈力、物體間的物理限制、浮力、力場與 車輛的動態物理屬性等功能。這些功能大大縮短使用者製作的時程，減少設計師 繁複冗長的物體動態製作過程與程式設計師撰寫演算法的實作。
Virtools Physics Pack 提供開發者高階行為模組來處理複雜的物理模擬模 型。使用 Virtools Physics Pack，開發者可輕易表現線上互動的全新境界，場 景中的物件將不用透過下載全部的行為模組即可以栩栩如生的表現，所有類型剛 體的摩擦力與重力作用也都可以自動立即檢視。
在互動應用上加入物理屬性的步驟，就如同在物體中加入其它行為模組般容 易，只需要簡單的拖-拉-放，沒有程式語言基礎的設計師也能輕易使用。這項最 先進的元件，可順利的被整合於 Virtools 架構中，提供開發者一個單一的使用 者介面來整合多樣化的技術。Virools 降低了設計者跨入虛擬實境的門檻，為虛 擬實境的發展開啟了嶄新的一頁。因此，研究者希望能藉由 Virools 軟體的優點 建立操作簡易且互動佳的虛擬實驗室，虛擬實驗室建置完成後即進行使用者評 估，相關的研究設計將於下一節加以論述。
第五節 第五節
第五節 第五節 評估與實測 評估與實測 評估與實測 評估與實測
虛擬物理實驗室建置完成後即進行評估及實測，相關的測試及施測方法詳述 如下。
一、虛擬與真實碰撞實驗之比較