虛擬空間的建置

一般在觀看建築的實體模型時，觀者大多是由俯視的方式來觀看實體模型的外觀與基地之間的 關係，卻無法利用人與建築的正常尺度來觀看。而人實際在空間中瀏覽時，是可以由室外走進 室內來觀看，但卻無法以俯視的方式來觀看此建築與整個基地之間的關係。因此，本研究以城 市空間為例來建置數位模型，藉以觀看建築物與周圍空間的關係。

在 VR CAVE 中有二種呈現立體虛擬影像的方式，一是經由影片拍攝或電腦動畫的製作，以傳統 的方式事先將檔案算好，再以播動畫的方式呈現（例：虛擬長安），形成一段有立體感的影片；

而另一種以即時運算的方式來呈現虛擬環境，將 3D 模型檔輸入至 VR CAVE 的平台中，依使用 者所操作的視角來即時產生的場景，讓使用者可以在虛擬環境中任意的走動或改變其觀看的角 度，而這樣即時的顯示環境基於電腦硬體顯示卡及記憶體資源與效能，需要以較低面數的場景 模型來製作，以降低即時顯示時視覺上的流暢及停頓問題。比較二種動畫最大的不同為場景中 的面數(polygonal)和材質貼圖檔案的大小，在製作預播動畫時，對於場景及模型的要求均是以精 細度與逼真度為主，但在即時的虛擬實境中考慮的則是場景中的模型面數與材質的檔案大小，

第三章 空間介面的建罝

若模型的面數少、材質檔案小，視覺流暢性會相對比較好，但影像品質就會有所犧牲，因此，

在即時的虛擬實境場景製作中，必須就視覺的流暢性與影像品質達到一個平衡，以低面數的模 型呈現具精細模型的影像品質(圖 3-3)。

圖 3-3：精細模型與低面數模型之比較

目前，個人電腦的 3D 顯示效能對於即時運算仍有些限制，而即時互動(real-time interaction)的原 則是在操控螢幕中的場景時沒有任何的停滯時間，另外畫面呈現的視角也能依使用者的決定即 時的轉換，在 3D 軟體中建置數位模型時，在模型、貼圖及燈光上若能遵循一些原則，將能提升 即時運算的效能。因此，必須先了解 3D 呈像的流程以製作最適當的 3D 模型，在建置場景時先 將數位城市中的建築物減面成低面數的數位模型，另外，所使用的材質貼圖檔案也需縮小成較 小的貼圖檔，對於燈光數量也會影響效能，而攝影機的架設則是模擬人眼的雙眼視差，之後再 將其輸出到 VR CAVE 的平台中，且電腦的處理器及 3D 加速卡也有較高的運算效能，如此才能 以較順暢的品質呈現，以下為虛擬空間建置流程之說明。

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3.2.1. 3D 呈像流程

從開啟 3D 檔案到畫面顯示在螢幕上，電腦與 3D 加速卡之間的運作，在 3D 呈像流程中大致可 分為：A.幾何運算階段(Geometry Stage)與 B.著色貼圖處理階段(Rendering Pipeline) (圖 3-4)。

圖 3-4：3D 呈像流程

A. 幾何運算階段 (Geometry Stage)

目前 3D 運算的方式在幾何運算階段(Geometry Stage) 主要是由 CPU 處理器來進行，其負責 3D 物件的平移、放大縮小、旋轉等，因為電腦並無法直接解讀 3D 物件，透過 API 應用程式介面 (Application Programming Interface)將 3Ｄ中的實體物件以多邊形的方式來轉換，依多邊形三個點 (Vertex)的 X、Y、Z 軸的座標來標示每一端點的所在位置，X 軸代表長，Y 軸代表高，Z 軸代表 深度，因為 3D 模型由三角面來組成，當模型在平移、旋轉時每一個點的座標都會不停的轉換，

所以，幾何運算將物件三角面及燈光的屬性經過計算後迅速轉換為 3D 的幾何運算資料，所產生 出來的座標資料與光源明亮運算結果傳送到 3D 加速卡，然後再轉為螢幕可接收輸出的訊號顯示 在螢幕上。

B. 著色貼圖處理階段(Rendering Pipeline)

幾何運算處理後會將 3D 物件變化的座標數值顯示出來，輸出 CPU 運算完的模型資料到 3D 加 速卡進行著色、貼圖(Texturing) 、明暗(Shading)與特效(Special Effect)。3D 加速卡經過一連串複 雜的運算，將多邊形上的顏色資料經過定義、分辨、尋找材質、將平面材質轉換為立體影像(圖 3-5)。為了讓此立體空間能更具有真實感，場景中也需要運用光影效果，而光源的參數在幾何運 算的中已計算完成，3D 加速卡依光源及其強度來運算，便可將光源的效果運用出來。

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圖 3-5：3D 模型貼圖

3.2.2. 3D 軟體中建置數位模型的原則

在 3D 軟體中建置數位模型時，對於模型建置、貼圖及燈光若能遵循一些原則，將能提升即時運 算的效能，以下分別說明：

A. 模型建置：利用 3D 軟體來建置數位模型，將精緻模型減面以多邊形的模式建置。

B. 模型貼圖：在模型上利用共面貼圖的方式來做貼圖的處理。

C. 燈光：將光影效果重新彩繪變成貼圖的材質檔。

D. 攝影機架設方式：模擬人類的視覺來架設所需的攝影機。

圖 3-6：在 3D 軟體中建置數位模型

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A. 模型建置

在建置數位模型時以多邊形的模式(polygon)來建模，多邊形的數量愈多其模型也愈精細，多邊 形是以點(point)來構成線(line)再由線來構成面(plane)，多邊形的面主要以三角面(triangles)及四 角面 (quadrilateral)來構成，每一個三角形都與其他的相連且在空間中都具不同的角度。以目前 的硬體設備而言仍是以三角面的運算方式來處理 3D 模型，無論是 NURB 或是次分割曲面 (subdivision)在運算時都會先轉換成多邊型的模型以三角面(triangulate)的方式來進行轉換及模 擬，透過電腦的運算將三度空間的模型描述或定義，而多邊形的數量將會影響到電腦處理這個 模型的速度，因此，在一個場景中的三角面數目若能控制在最佳化的數目，即盡可能保持模型 的原狀而減少多邊形的總面數，將會有效提升顯示的效能。

在本研究中比較了二種模型的面數，精細模型的原本的面數為 109576 面，但經過減面後為 804 面(圖 3-7)，在 3D 軟體中降低精細模型的面數(polygons)，以利在即時的虛擬環境中呈現，經過 減面後的模型將可大大的提升即時模擬運算的效率。另外在製作減面時，若先考慮到貼圖的重 複性，便可以先進行一些線段的分割，觀察模型是否具有對稱性，如果有則只需建立一半另一 半利用複製就可以，不僅可以降低模型面數也可減少貼圖的檔案，達到即時運算的最佳狀況。

圖 3-7：模型的面數由原本的 109576 面減為 804 面

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B. 模型貼圖

本研究中所使用的材質是經由直接拍攝實體建築物而來，拍照時最好要讓每個畫面盡可能與建 築立面垂直，再將數張現場實景拍攝的相片，透過影像軟體 photoshop 將原先的透視圖加此處 理，經過影像的修正後取得每棟建築物之正立面。觀察建築立面的對稱性與其分佈，進而針對 每一張照片加以裁切，將這些正立面適當地安排在 512x512 pixels 的單一圖面上(圖 3-8)。

圖 3-8：將正立面適當地安排至 512x512 pixels 的圖上

3D 模型利用表面材質貼圖的方式將 2D 的圖像應用在模型的表面，一張 2D 的圖像是以 X、Y 來定義像素的位置，而模型表面上也需要分成和材質影像裡一樣的距形區域，這參數定義為 U、

V。接著指定模型上 U、V 的位置，選取場景中的多邊形模型後，利用 Unwrap UVW 共面貼圖 的方式，以拆 UV(unwrap) 的方式將材質貼至低面數的模型上，以 2D 材質影像 XY 的位置對應 在 3D 模型上 UV 表面空間的矩形區域，在模型上選取所欲貼圖的面，將所指定的貼圖以四方連 續的方式在視窗內展開(圖 3-9)，將所欲貼圖的面的四個點移至相對應的材質位置上，再以同樣 的方式將模型其他的面依序貼至相對應的材質上，同樣的材質處可重複使用，如此便可降低材 質檔案的大小，達到最好的即時呈像效果。另外，基於電腦硬體顯示卡記憶體資源與效能，材 質貼圖的影像其邊長以 2 的 n 次方為設定基礎，如 32*32、256*256 等，如果一張材質檔過大將 無法順暢的由記憶體載入到 3D 加速卡中必須要分次處理，如此便會影響 3D 的效能。

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圖 3-9：將模型上的 UV 線移至相對應的材質位置上

在模型算圖後比較精細模型與減面後的模型貼圖，場景中面數(polygonal)的降低和材質貼圖檔案 的縮小，將大大的提升即時顯示效果及視覺的流暢性，達到以低面數的模型呈現精細模型的影 像品質。一般而言，整個場景的 polygon 面數最好是維持在 10000~15000 面之間，貼圖檔案以 不超過 10mb 為最佳。而在模型減面後其細部的結構主要是以貼圖來呈現，如窗戶，屋瓦等。

C. 燈光

在一個 3D 的場景中光和影子能產生豐富的情緒效果，所投射的陰影也能提供相當程度的真實 性，但燈光的模擬需要大量的資料運算，包含其位置、強度、光的顏色及類型等參數，另外還 包含了明暗(shading)和投射陰影(cast shadows)，明暗為燈光在物體表面從亮到暗的效果以及是否 被遮蔽，而投射陰影的運算相當費時，在燈光的參數設定上會有光束追蹤(ray-tracing)及影子深 度貼圖(shadow depth map)二種計算方式，光束追蹤考慮到物體之間的反射及折射來產生非常精 確的影子但會減緩算圖的速度，而影子深度貼圖則表示了模型在其他模型前面的資訊，儲存成 一張內部的影像為深度貼圖(z-map)，以記錄模型間的遮蔽資訊，若這張貼圖的解析度越高則算 圖就越慢。因此，若要得到場景中較佳的燈光效果，電腦的運算也會相對的增加對於即時呈像 上的限制也會愈大。

一般在 3D 軟體的光源都可以自動幫場景製造十分自然的影子，但在硬體的限制下為了要有較好 的系統效能，同一個場景中最好將光源限制在四個之內，不過這些燈光也無法輸入到 director 中，因此，在即時運算的顯示上必須要有較好的方式來處理陰影的部份。本研究是將光影效果

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重新彩繪變成貼圖的材質檔，而模型上就能自然呈現陰影的效果，利用陰影貼圖的方式使用光

重新彩繪變成貼圖的材質檔，而模型上就能自然呈現陰影的效果，利用陰影貼圖的方式使用光