TUI 應用於設計初期過程中

(Foley, J.D., 1987) 提出一個直接操作的概念，直接操作就是透過取代訊息或是移動 訊息

互動是設計者與系統設計者的重要基礎，它可以使使用者了解到感知的能力，(Wickens

數位黏土遊戲(J. Rossignac et al.,2003)

此實體虛擬陰影互動裝置研究(J. Underkoffler, 1998)是藉由實體與虛擬的共同建造方式，是

虛擬陰影互動裝置(J. Underkoffler, 1998)

來與電腦作互動，並不需要特別的命令式的修改指令來修改訊息，就可以直接移動 虛擬環境中的物件，這樣的方式就如同再實體的環境中一樣，如此設計者可以與虛擬環 境得到較好的互動。

and Holland， 2000； Ashcraft，2001； Goldstein，2002)，許多互動系統可以幫助 使用者更快速的完成目標，會使使用者更願意去操作系統。

圖 12.

一個用手去捏塑實體黏土，在此同時，藉由雷射掃瞄，可以去感知粘土的及時型態變化，

這樣可當作一個 3D 輸入的介面，再藉由投影機，可以在黏土表面上投影出立即的黏土 的狀態變化，呈現出虛擬模型所要表達的訊息與視覺回饋。

圖 13. 實體

此互動光影實驗主要 個建立於工作臺上

(J. Underkoffler, 1998)

2.

方塊是在三度空間中的一個量體元素

LEGO Digital Designer

LEGO Digital Designer( L 擬實體 LEGO 的圖像使用者介 面，這個系統可以進行虛擬的

EGO Group, 1999)是一個模

LEGO 堆疊遊戲，系統裡面有所有市面上販售的方塊與不

圖 15. 虛實互動方塊 (D.Anderson et al, 2000)

有研究者利用了樂高為基本的實體模型，設計了一套可以在設計者組裝之後，可以 將實體模型連接到電腦上，之後電腦可以辨識出這些方塊所組成的形體(D.Anderson et al., 2000)，這樣的方式利用實體與虛擬的互動發展了新的遊戲模式；此實驗為一個即 時性的模型發展工具，在堆疊實體模型的同時，在虛擬的場景中，也同時出現了相對應 的虛擬模型，並且可以提供操作者即時的虛擬彩現，操作者可以藉由實體的方塊，與虛 擬的方塊進行互動，不但可以感受到實體的感知，同時也可有立即性的視覺回饋。

方塊的模擬不只是在虛擬的環境中呈現出形體的模擬，同時也有相關的研究加入物 理的性質到方塊裡；這個研究根據益智遊戲來做為整個系統發展的概念，發現此益智遊 戲雖然組裝的向度很多，但是組裝過後卻是不能再加以調整的，必須從新拆解才可以發 展新的模型；所以此系統試圖發展一種使用力學裡面擠壓的方式來控制虛擬的模型，藉 由利用手的操作使實體模型變形，虛擬的模型也同時產生出即時的形體變化，這樣設計 者就可以立即的調整模型骨架與骨架的角度，進而改變量體的型態。

圖 17. A Free-Hand 3D Modeling Interface(Jackie Lee, 2003)

實虚量體的互動有不同的形式來呈現，例如此系統就是以建立在 maya 上與一個可 以擠壓的十二面實體上(Jackie Lee, 2003)；此實體量體可以感受到手部動作的擠壓動 作的力量，藉由系統分析出力量的數值可以控制虛擬量體(nurbus)的變形，不同面向的 實體碰觸代表不同虛擬量體的擠壓方向，這樣的控制方式可以提供直覺性的操作，可以 給不熟悉 3D 介面的設計者使用。

圖18. Cognitive Cubes: virtual prototype; physical interaction.(Ehud Sharlin et al.2002)

圖19. ActiveCube system(Yoshifumi Kitamura et al. 2004)

Cognitive Cubes(Ehud Sharlin et al.2002)與ActiveCube system(Yoshifumi Kitamura et al. 2004)皆 是在探討如何利用一個互動的裝置，藉由手的動作去操控一個實體的模型，這個實 體的模型可以即時去控制虛擬的模型，並且可以即時的彩現虛擬的模型，藉此使用 者可以簡化設計的操作流程，不需學習虛擬環境的介面就可以分析虛擬模型的狀 態。

第三章 系統的設計

根據個案分析的歸納結論，設計者使用不同的媒材有不同的限制，同時也有不可被 取代的本質，本個案分析針對對於建築設計者操作空間配置的關鍵階段，設計出可以簡 化設計過程的系統架構。

本實驗主要使用 webcam 辨識的技術為系統的基本架構，先前研究主要都是使用複 雜的電子電路裝置來進行量體的判讀，本研究利用視覺辨識的即時性與低技術的門檻，

而且視覺辨識可以即時的將實體環境訊息轉換成數位的數據，這些數據可以幫助設計者 進行分析。

由於並不需要複雜的電子裝置，只需要單一顏色的素材，在穩定的光源及環境底 下，就可以讓 webcam 完成視覺的辨識，所以堆疊的量體並沒有受到材質的限定，在實 驗的操作過程中，可以隨時拿不同大小與比例的量體，都可以隨時藉由 webcam 觀察這 些量體的變化。

量體模型在草模的應用上面，矩形的量體是最常被使用的單元，原因是矩形是容易 被拿來堆疊，也可以藉此做出許多不同變化的簡單的形體；像是樂高遊戲是設計給小朋 友所玩的，遊戲所選用的形體也是矩形居多，原因是矩形量體容易被操作，是一個最容 易被理解，也是空間組成裡面最單純的元素。

3.1 系統的架構

圖 20. 系統架構圖

根據上一個步驟的個案分析，針對不同媒材在建築設計草模階段所具備的優缺點，

設計出一套同時利用實體與虛擬方塊進行設計的流程，此流程混合運用實體與數位兩種 媒材，利用兩個個案在不同階段所不能取代的過程與方法，來操作方塊的堆疊與設計。

在此篇論文中，將在設計的草模概念階段中，建立出一個即時的虛實互動玩具，實體方 塊可以控制電腦銀幕的虛擬方塊，而虛擬方塊可以回饋訊息給實體方塊進行同步的互 動，互動方塊系統的進行的過程可以分成幾個步驟：

1.當一位設計者在建築設計的草模階段時，必須利用量體來進行空間配置的研究；

當他拿起一個實體量體的同時，在電腦銀幕上就出現一個即時的數位模型，兩者在 3D 的(X，Y，Z)位置會相對應，同時設計者去操作方塊移動的動作也會與實體模型 同步。

圖 21. 系統架構流程分解圖(3D 位置資訊)

2.在此同時設計者繼續堆疊與組合實體方塊用來分析空間的屬性，在這時虛擬方塊 也同步的進行堆疊。

圖 22. 系統架構流程分解圖(發現問題)

3.設計者大致配置完空間的排序之後，必須要去檢視設計的合理性，在此時設計者 可以去檢視虛擬模型所依據實體方塊所分析提供的分析訊息，例如比例、方位以及 體積，設計者可以依據這些訊息再加以調整實體方塊的空間配置。

圖 23. 系統架構流程分解圖(調整特定方塊)

4.設計者根據這些分析的資訊，必須去調整實體模型的一部分，設計者指定了其中 一個方塊，其中一個實體模型於是與之產生對應發出亮光，設計者根據指示去調整 特定的方塊，進而可以讓設計者檢視實體模型堆疊上所需的策略。

圖 24. 系統架構流程分解圖(回饋到實體的環境)

3.2 系統架構流程的設定

圖 25. 系統架構圖

依照上一章節的系統進行操作流程，共可以分成四個主要的部份，根據這些步驟進 一步發展系統實作的流程。

1.Wiring 與 Wiring i/o board

Wiring Wiring PC

I/O

圖 26. 系統架構分解圖(Wiring 與 Wiring i/o board)

電腦藉由 wiring 的軟體，可以藉此控制 wiring i/board.，藉由 wiring 撰寫程式，

藉由這些程式傳遞訊號到 wiring i/board.上。

2. 物體偵測

有一個技術名為＂除去背景＂，可以使人在虛擬環境中的像素可以獨立出來與背景 分開，人或是物體可以在虛擬的場景中，除去現實的背景，使人活動在虛擬的場景 變的可能；這個技術藉由分析比較影像每個影格中絕對性差異的像素，然後電腦會 去運算並加以除去像素並由虛擬背景的影像來取代。

背景取代這個功能可以在差異性大的環境裡面運作良好，但是這個運算法卻非常的 敏感，當環境的燈光狀況改變時，這取決於物體必須要有足夠的差異與背景的影像 相對比。

3.量體指示

4. LED 的開與關

space-cube 的內部設有開關，可以控制 led 的明或亮。

Webcam Space-Cube

圖 27. 系統架構分解圖(物體偵測)

圖 28. 系統架構分解圖(量體指示)

wiring i/board 可以傳遞訊號 sapce-cube，藉此可以控制 sapce-cube 的狀態。

圖 29. 系統流程解圖(LED 的開與關)

5.簡單的物件追蹤

LED

Space-Cube Wiring I/O

board

Space-Cube

On/off

圖 30. 系統架構分解圖(簡單的物件追蹤)

物件的追蹤能仍舊是一個發展中的理論，這個概念是利用影像分析的方式去追蹤發光或 是對比度高的物件，系統去追蹤每個更新的影格中最亮的像素，在這個理論中，每個像 素的亮度值將會被拿去與設定中最亮的像素值做比較，如果像素的亮度值超過設定值，

那這個像素的位置將會被記錄起來，當所有的像素都被檢測過之後，然後在影格裡面最 亮的位置就會被偵測出來；這個技術降低的操作者對於系統操作的複雜度，因為只要專 注於一個物件上面；經由細微的調整，此系統也可以去偵測與追蹤環境中最暗的像素，

或是多重追蹤，甚至是針對不同色彩的追蹤。

Jmyron PC(Server)

(Z)

Webcam1

第四章 系統的操作流程

Space-Cube 是一個可 行操作虛擬模型的

系統，Space-Cube 的硬體包含了實體的材質，I/O broad，電路板以及 LED，虛擬的模 型可

本次實驗利用 Myron 應用於 webcam 的辨識的功能，在 webcam 可視的範圍裡面，可以追 蹤實體方塊上特定的(R.G.B)色彩，並可以將此功能轉換成相對的方位數據，利用這些

4.1 實際操作的過程

制的輔助，例如背景燈光或是物件表面顏色的處理(如高反差的圖 像)，這些因素都可以讓被追蹤的物件，可以比較亮於或是暗於背景的亮度，這個 物件

以輸入 3D 資訊的實體的介面，而且可以執

以因為(Wiring)的應用使得 Space-Cube 變成一個外部的輸入裝置。

數據可以去控制虛擬的方塊。

4.1.1 實作的流程

藉由燈光控

可以使物件與背景相區隔並獨立出來，在這樣的操作模式底下，影像像素的亮 度都是與系統的設定值作比較的。

圖 31. 影像辨識追蹤

圖 31. 影像辨識追蹤