基於 2.1.2 節所述，本節基於虛擬實境在設計中發展與應用，提出更進一步的說明。
虛擬實境是由幾何式的電腦繪圖，以即時方式呈現三維的視覺環境。其除了有動畫 在時間上的四維向度外，尚增加了使用者即時互動的向度，虛擬實境系統能感知使 用者的動作，同時產生相對應的視覺回饋，進而和使用者產生互動，提升使用者對 虛擬環境的感知意識(Belleman et al., 2001)。它提供使用者在視覺、聽覺、觸覺等感 知的刺激，進而產生有如身歷其境的感覺，而非只是一個影像的觀察(Bridges and
Charitos, 1997; Burdea and Coiffet, 2003)。參觀者相對於動畫形式的空間感受，在虛擬 環境中所感受到的空間經驗是一種具啓發式之自我探索的過程。
人無論在實體環境或虛擬環境中，都會用相同的感知去處理他們所接受的外在訊 息，但一個最大的不同是虛擬環境的自然性(nature)問題，而這問題可歸因於現有虛 擬實境的技術限制，如虛擬環境中難以模擬觸覺與味覺(Ryan, 2001)。而虛擬環境和 真實環境最大的不同在於虛擬環境中沒有物理上(如重力與穿牆)與尺度上的限制、可 超連結(hyperlink)的非連續空間與時間等(Bridges and Charitos, 1997)。建築環境最好的 感受與美學評判最好的方式是透過一個可以改變視點之連續的視覺瀏覽，也只有透 過完整的瀏覽才能提供一個較客觀的空間經驗，就如行走(walk through)在一個空間 中，可以隨心所欲的觀賞，相對於靜態二維圖面，虛擬實境提供更多的資訊，做為 一個尚未被實際建造前，可以感知、評估與享樂的設計空間，同時也減少了設計開 發之時間和成本的浪費(Hill et al., 1999)。其主要角色為「呈現工具」與「設計輔助」
(Vassil, 1997)，如以行走方式於設計的虛擬空間中，成為設計者與觀看者間一個有效 的溝通工具，也只有透過行走方式，才能感受到一個房間或一條街上的空間感(Bertol and Foell, 1997)。
2.3.1 虛擬實境的技術發展
回顧虛擬實境的發展，最早可以追溯到 1962 年的 Sensorama ，具備了模擬視、聽、
觸、味等知覺的虛擬實境機台(圖 2.16)；爾後，虛擬實境的發展，尤其是在視覺模擬 上，從 1966 年 Ivan Sutherland 利用映像管 (Cathode Ray Tubes, CRT) 發展了第一個 單人頭戴式顯示器 (Head-Mounted Display, HMD) (圖 2.17)。之後虛擬實境在視覺呈現 的發展形式，有 CRT 螢幕搭配上遮蔽式立體眼鏡(shutter glasses)與液晶螢幕搭配偏光 式眼鏡(polarized glasses)等之桌上型虛擬實境系統、多螢幕組合之廣域視覺顯示的虛 擬實境系統，另外，較特別的呈現方式是在 1993 年，芝加哥伊利諾大學(University of Illinois at Chicago)電子視覺化實驗室(Electronic Visualization Laboratory) Cruz-Neira 等 人開發出可多人同時觀看的全尺度虛擬實境空間模擬器(CAVE Automatic Visual Environment)，它主要是由前方、地下、左方、右方等四片平面投影螢幕所組成(圖 2.18)，透過四台三槍投影機將電腦裡所運算出的畫面投射到四片平面投影螢幕上 (Cruz-Neira et al., 1993)。愛荷華州立大學(Iowa State University)更基於這樣的基礎，發 展出全包覆式之六面顯示投影的 C6 CAVE 系統。然而三槍投影機體相較於單槍投影 機其體積龐大且重，亮度不夠等因素，因而也有發展以單槍所組成的被動式 VR CAVE 系統(圖 2.19)，如日本松下公司的 CyberDome 8500，是一個以 19 台 PC 群所串 成的一套系統，再由 18 台單槍投影機將畫面投射到半球形上的螢幕，因其投射螢幕
2. 文獻回顧
為圓弧形，會有變形問題，畫面在投射出去前，需要再將影像做即時形變調整(Shibano et al., 2003)。
虛擬實境在視覺呈現上，從技術的觀點上，可分為下列三種(Burdea and Coiffet, 2003)：
z 桌上型顯示器(desk-supported)—依所使用的螢幕大小而定，早期所使用的為 CRT 螢幕，尺寸介面 14 吋至 19 吋之間。而現在 LCD 液晶商業用螢幕至少已到 30 吋，其雙眼立體視覺顯示可分兩種，一為偏光式螢幕，觀看者需配戴偏光式立 體眼鏡(iZ3D, 2007)；另一為微位相差式螢幕，觀看者不需配戴任何的立體眼鏡 (工研院電光所, 2007)。
z 眼戴式顯示器(eye-mounted)—在雙眼前置上一或兩小螢幕的顯示裝置，就像透 過望遠鏡的方式觀看影像。早期如各式各樣的 HMD(圖 2.17)與現今體積重量較 小的 LCD 顯示器(Olympus, 2001)。
z 投影式顯示器(projector-based)—投影機將影像透過前投影或背投影的方式投射 在銀幕上，其組成的投影機數目從一至數台不等，分雙眼立體投影和一般投 影，銀幕的構成有很多種形式，如二面組成的長條形寬銀幕，三面組成的 U 形 CAVE 銀幕，四面(圖 2.18)至六面組成的方盒式 CAVE 銀幕，球形或半球形的投 影銀幕(圖 2.19)，其沈浸的效果根據觀看者被包覆的程度而定。
在虛擬實境硬體互動介面的發展，常見的為鍵盤、2D/3D 滑鼠、搖桿、方向盤等、
數據手套，然而在三維虛擬環境中，為了增加互動的直覺與自然性，在介面的設計 上，需考慮觀看者的控制指令如何輸入到虛擬環境裡，以及虛擬環境如何提供知覺 回饋給觀看者，如實體環境中，人的任何動作都有其三維座標與方向性。因此，目 前以機械式(mechanical)、超音波式(ultrasonic)、磁場式(magnetic)、光學式(optical)等三 維定位技術(tracker)技術可以將觀看者的動作轉換成可與虛擬空間互動的三維向量 座標資料(Burdea and Coiffet, 2003)。目前盛行的遊戲機 Wii(2007)，其以較直覺之肢體 互動裝置，即是以光學式的定位方式取得使用者的動作資料。
圖 2.16：Sensorama 虛擬實境機台 (Burdea and Coiffet, 2003)
圖 2.17：頭戴式立體視覺顯示器 (Sutherland, 1968)
圖 2.19：CyberDome 8500(Shibano et al., 2003) 圖 2.18：主動式多人沈浸式虛擬空間(工研
院, 2002)
早期虛擬實境的軟體發展，大多是各別系統自行以較低階的程式語言( 如 C 語言)去 讀取數位模型之場景資料，再用自行撰寫的程式，將場景以每秒至少 15 張畫面(frame) 畫在螢幕上，以及要自行開發一些互動介面的方式，整個虛擬實境的軟體發展，沒 有一個較整體的標準，到了 1992 年，制定了一套二維與三維繪圖應用程式介面 (Application Programming Interface, API)稱為 OpenGL，它讓程式人員可以有更多的程 式介面可以直接套用(OpenGL, 2007)，而不用為了有更好的視覺效能再去寫更低階的 程式語言(如組合語言)控制顯示卡。爾後，1995 年微軟(Microsoft)也制定另一套應用 程式介面 DirectX，它除了有三維程式介面的 Direct3D，尚涵蓋了其它多媒體的程式 介面，如聲音、影片播放等(DirectX, 2007)。OpenGL 與 DirectX 至今為電腦繪圖發展 的兩個重要程式介面，在虛擬實境的發展上，產生了兩個較為不同的發展，一個是 較偏重三維遊戲發展的 3D 引擎，如較知名的 RenderWare 以及各遊戲公司所開發的 3D 引擎，其製作方式較為程式導向，需要熟悉程式的人才有辦法製作互動式的虛擬 環境。另一個同樣是基於 OpenGL 與 DirectX 兩個 API，其主要是開發虛擬實境套裝
2. 文獻回顧
軟體為主，如較早可在網路上瀏覽的 VRML 檔案的 Cosmo 等播放器，可以在編輯軟 體裡設計三維介面與互動方式的 EON、Virtools、Director、Quest3D 等多種虛擬實境 套裝軟體。
2.3.2 虛擬實境在設計中的應用
虛擬實境至今已廣泛的被應用在各種領域中，從軍事模擬到藝術、教育與娛樂，從 醫學到生產，所有的這些應用，都需要具備靈活性與真實性，以及成員的參與性 (Burdea and Coiffet, 2003)。如利用虛擬實境科技育教於樂，10 分鐘遊覽全世界，或參 觀 16 世紀的義大利 Siena 主教堂，不碰水即可親臨水底世界，或不費力即可登上喜 馬拉亞山(Frohlich and Kruse, 2005)。
在設計的應用上，以虛擬實境為基礎的設計系統大致可分為兩種方向(Dani and Gadh, 1997)，一個是強調三維視覺模擬與分析的系統，也是現在虛擬實境最廣泛應用的主 因，如系統名稱為ISAAC (Immersive Simulation Animation And Construction)，使用者在 虛擬環境中可以直接或間接操作一些虛擬物件的位置、方向與大小，利用一些較自 然的操作形式來克服在虛擬環境中作業的一些限制 (Mine, 1997)。另外，透過設計師 對實體模型之操作行為的了解，如上下左右旋轉與拿近拿遠之行為，將之賦予一個 以沈浸式VR CAVE為基礎之即時互動的三維虛擬環境中，使用者手持一感應裝置，
即可如手持一實體模型，自由的觀看(Wu, 2003)。然而，除了虛擬的導覽與虛擬物件 的操作外，在專案名稱為蒲添生3D數位雕塑博物館的案子中，將雕塑家之重要作 品，經由3D數位化，透過VR CAVE以近似真實比例呈現在虛擬博物館中，參觀者除 了可以旋轉雕塑品外，尚可及時的調整虛擬展場中的燈光位置與顏色(Wu, et al., 2004)；另外，在美術館對一般大眾展出的明日建築展(劉育東, 2007a)上，虛擬實境呈 現出歷史空間與尚未真實建造出來的未來空間，結合即時動畫的切換，讓觀看者能 夠以自動導覽和親自導覽之兩種方式，超越時空的限制，體驗過去與未來的空間。
其它關於虛擬實境的應用，尚有以網路為呈現平台的，較早比較普偏的如VRML格 式的網路虛擬實境，之後有專屬虛擬實境社群，如現在比較有名的Second Life(2007)；
使 用 者 可 以 在 虛 擬 環 境 上 加 上 自 己 房 子 之 數 位 模 型 與 圖 片 文 字 相 關 資 訊 的 GoogleEarth等，即是以三維視覺呈現為主的相關虛擬實境應用。
另一個方向是以 CAD 為基礎，可以做創造、修改與操作的系統，其大部份應用是在 設計的創作上，如系統名稱為 CUP(Conceptual Understanding and Prototyping)，是一個 利用知識工程與 3D 編排做輔助性概念設計的機械設計系統，使用者在這虛擬環境 中，設計機械結構與動態運動之間的關係(Anthony et al., 2001)；LUCID(Loughborough
University Conceptual Interactive Design)系統則提供視覺、聲音、觸感等多感知的操作 介面，讓使用者在做概念式設計時，可以更為有效與直覺(Ye et al., 2006)；其它尚有 VDVAS(Wan et al., 1999)、HKU VR-CAD(Zheng et al., 1999)等。