自由形體設計過程中的新媒材研究

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(1)國立交通大學土木工程學系博. 士. 論. 文. 自由形體設計過程中的新媒材研究 A Study of New Design Media in the Process of Free-Form Design. 研究生. 林政緣. 指導教授. 劉育東. 中華民國九十四年七月.

(2) 自由形體設計過程中的新媒材研究學生：林政緣. 指導教授：劉育東國立交通大學土木工程學系摘要. 過去關於設計媒材與設計過程的研究中，數位媒材的精確度確實造就了自由形體建築的實現，但突破與創新經常伴隨新問題的發生，而關於自由形體建築的研究仍十分有限，因此本研究將從數位媒材以及自由形體設計的相關研究推導出新的研究議題，並試圖尋求與新媒材虛擬實境結合的可能性。本研究試圖透過 VR cave 來介入自由形體的建築設計過程，並搭配目前既有之設計媒材，期望藉由設計與人的互動性，輔助設計者更容易掌握自由形體設計，探討空間感知與設計方法的關聯性，進而獲得自由形體設計流程中各類設計媒材的重要性分析歸納與整理。當設計問題是既有設計媒材所無法掌握的時候，就必須倚賴更新的設計媒材來解決問題，也就是以新媒材來介入其設計過程。本研究試圖先以案例分析的方式整理歸納出自由形體設計流程中各類媒材的重要性分析，再以 VR cave 介入研究案例的設計過程，觀察原本的設計流程是否受到新媒材的影響而產生不同的設計思考，以瞭解新的設計媒材 VR cave 是否能解決過去數位媒材所無法掌握的設計問題，最後再透過一項空間實驗，修正與確認 VR cave 介入後的自由形體設計流程中各類媒材的重要性分析。. I.

(3) A Study of New Design Media in the Process of Free-Form Design Student：Cheng-Yuan Lin. Advisor：Yu-Tung Liu. Department of Civil Engineering National Chiao Tung University ABSTRACT This study — which includes an experiment and questionnaires — examined an array of design media, including 2D drawings, three dimensional (3D) physical models, 3D digital models and computer renderings, to determine whether or not they are able to serve as fully accurate representations of free-form space. A series of statistical analyses established that such models were in fact unable to do this. Thus, the study established that digital models and computer renderings could not give complete expression to the designer’s concept. As is shown by the history of the design media, when conventional methods are unable to solve design problems, the only solution is to make use of new design technology. Recently, the use of VR has gradually been increasing used in design process. However most of these applications focus on conventional design simulation, and seldom make use of this technology to deal with the issue of free-form space. This study examines the issue of whether or not VR CAVE has the potential to overcome the limitations of computer renderings in respect to free-form space and thus give full expression to the conceptions of the designer.. II.

(4) 誌謝謹將這本論文獻給我的母親潘聰良女士. III.

(5) 目錄. 第 1 章緒論. 1. 1-1 研究問題. 2. 1-2 研究目標. 5. 1-3 研究方法與步驟. 6. 第 2 章文獻回顧. 10. 2-1 自由形體在設計媒材中的發展. 10. 2-2 虛擬實境在設計媒材中的發展. 17. 第 3 章 VR cave介入自由形體設計後的初步媒材分析. 24. 3-1 自由形體設計流程的媒材分析架構. 24. 3-2 案例分析：VR cave 介入自由形體設計前的媒材分析. 28. 3-3 VR cave 介入自由形體設計後的初步媒材分析. 38. 3-4 案例分析：訪談設計者以確認初步媒材分析. 41. 第 4 章 VR cave介入自由形體設計後的媒材分析修正與確認. 45. 4-1 確立設計因子. 45. 4-2 實驗方法與步驟. 49. 4-3 實驗結果. 56. 4-4 實驗分析與討論. 62. 第 5 章結論與後續研究. 71. 5-1 研究結論. 71. 5-2 研究貢獻. 72. 5-3 研究限制. 72. 5-4 後續研究. 73. 參考文獻. 75. 個人簡歷. 79. 附錄一先期實驗. 80. 附錄二設計者訪談內容. 84. 附錄三空間實驗問卷與結果. 97. IV.

(6) 第 1 章緒論早期在電腦尚未發展成熟時，已有一些關於呈現方式與傳統媒材的研究（Arnheim, 1969; Kostof, 2000），古代建築師用文字描述抽象的建築設計過程（Hewitt, 1985），設計過程從「自然」到「刻意」持續演化（Alexander, 1964），發展至十九世紀之前，二維圖面仍然只傳達了抽象的視覺思考與視覺概念化的語彙（Goldschmidt, 1999），建築設計仍處在極具限制的呈現方式。文藝復興時期對於設計方法與呈現方式最大的貢獻，就是在設計過程中大量地使用模型，讓造型與空間設計獲得較佳的精確度（Millon, 1994）。直到二十世紀，造型上的限制被少數幾位建築師所突破，這些建築必須靠空間想像力來建造，在歷史上只能期待偶爾出現，而不可能成為一種設計方法。隨著科技的發展電腦逐漸地參與設計方法與設計過程，新的設計呈現方式，提供了傳統使用圖面與模型之程序以外的可能性（Lai, 1997）。Mitchell（1997）分析整合傳統設計媒材與數位設計媒材，強調電腦應更普遍地延伸並融入設計過程。 90 年代電腦已能精準的模擬空間形式、光線以及材質的變化，對於暸解建築設計的議題、概念和發展有相當的幫助。經由數位模型的詮釋與檢討，傳統的建築元素、形式、空間等均有機會被重新定義（Madrazo, 1999）。電腦媒材確實影響設計思考與設計過程，有助於設計認知、直覺、與創造力的發揮（Hanna and Barber, 2001），因而使數位化的建築思考模式逐漸成形（Liu, 1996; Krawczyk, 1997）。新的設計思考方式引發新的建築形式－自由形體建築，在實務界中最具代表性的例子是當代的 Frank O. Gehry，利用數位 3D 掃描器踰越了 2D 圖面的限制，其作品充分展露出建築形式與空間的多樣性，呈現曲率各異的精確造型。（Zaera, 1997）。數位設計媒材與自由形體建築設計逐漸深入各個建築專業領域，透過電腦輔助製造的技術，將其數位化之造型直接轉化為實體建築，在營造上完全沒有幾何化的妥協（Rugemer, 2001），數位時代的建築所面臨的挑戰是如何去實現建造，自由形體設計為建築帶來許多新的可能性（Zellner, 1999; Kolarevic, 2001），並持續的挑戰建築的歷史發展。數位媒材逐漸在設計方法與設計過程中扮演極為重要的角色（Simon, 1981; Bai and Liu, 2001），大量的研究持續試著釐清各種不同設計媒材與呈現方式所產生的影響（Eastman and Fereshetian, 1994）。多媒體（multimedia）設計當中相當重要. 1.

(7) 的一項是虛擬實境（virtual reality, VR）。虛擬實境可定義為人與電腦所產生的動態虛擬環境（virtual environment, VE）所發生的互動關係，其使用者介面完全不同於傳統的電腦輔助設計，徹底改變了研究者的設計思考。目前已經有大量關於虛擬實境的研究（Belleman et al., 2001），並將虛擬實境這項科技深入地應用在實際的建築案例上（Dam, 2000; Li et al., 2001）。目前發展中的虛擬實境系統有許多類型，隨著個人電腦的研發，PC-based 的虛擬實境空間模擬器（VR cave）系統愈來愈普及（Cruz-Neira, 1998; Blach et al., 1998）。虛擬實境的科技刺激了建築的創造力，VR cave 提供一個可沈浸的虛擬環境，呈現模擬真實環境的視覺效果，透過三維的輸入裝置和相互作用的技術，讓使用者在能夠即時自由創造或者修改（Paranandi and Sarawgi, 2002; Baker 2000）。當使用者在虛擬實境中從事設計會產生不同的觀點與設計過程，增廣設計者的視野，想像力會更加豐富並刺激各種不同的設計思考，因此設計的品質因而提昇（Rheingold, 1991; Schnabel, 2003）。在過去關於設計媒材與設計過程的研究中，數位媒材的精確度確實造就了自由形體建築的實現，但突破與創新經常伴隨新問題的發生，而關於自由形體建築的研究仍十分有限，因此本研究將從數位媒材以及自由形體設計的相關研究推導出新的研究議題，並試圖尋求與新媒材虛擬實境結合的可能性。. 1-1 研究問題每個歷史時期的建築在時間與空間中產生差異性，相對地反應出不同時代的空間觀念與歷史風格（Handa 1999），數位時代的建築，所面臨的挑戰不僅止於如何去設計，而且還包含如何去實現設計，如同工業時代來臨之前。Mitchell（1998）提及，當畢爾包的古根漢美術館完成建造時，最尖端的建築師們開始領悟到新空間形式的時代已經開啟，現今電腦輔助設計與製造的技術讓複雜度、精確度極高的自由形體（free-form）建築得以在合理的預算與時程計劃中完成。設計過程與設計媒材息息相關（Hewitt, 1985; Kouzeli, 2001），當新媒材逐漸介入設計的過程，便很容易刺激新的設計思考方式，透過各種媒材不同的呈現方式讓建築充分展露出各種不同的多樣性（Bruggen, 1998; Madrazo, 1999; Liu, 2002）。自由形體建築便是在數位媒材精確運算的特性之下得以實現，因為自由形體的設計中沒有任何一個單元是標準化之模具及尺寸，每個單元皆各自有其不同的角度與曲率，. 2.

(8) 自由形體建築在生產及測試上特別需要精準度（Krawczyk, 1997; Saunders, 1999），因此若缺少數位媒材，自由形體建築便無法實踐（Mitchell, 1997; Osman, 2001）。 1-1-1 傳統媒材的不足. 建築設計媒材發展至十九世紀之前，因為沒有實體模型的輔助，二維圖面仍然只傳達了抽象的視覺思考與視覺概念化的語彙（Kostof, 1985; Goldschmidt, 1999; Adam, 1990）；文藝復興時期對於設計方法與呈現方式最大的貢獻，就是在設計過程中大量地使用模型，除了掌握量體也掌握細部，突破過去二維圖面媒材在處理設計思考上的限制（Recht, 1985; Millon, 1994; Lin, 1999）。然而實體模型雖然彌補二維圖面的不確定性，建築設計卻仍處在具限制的呈現方式，設計者腦中天馬行空般的概念，遠超過當時建築美學與營建技術的極限，即使發展至二十世紀，造型上的限制被少數幾位建築師所突破，如 John Uzon 所設計的雪梨歌劇院（圖 1-1），但仍然無法完全表達最初設計概念的雕塑造型與戲劇化空間，原因是其建築形式存在許多非幾何的元素，雕塑性強且內部空間變化大，既有的設計媒材無法完成建構與結構分析，沒有更佳的呈現媒材來輔助，設計者必須做出妥協，採取較平穩的空間形式（Mitchell, 1998）；同時這類建築在歷史上僅能期待偶爾出現，而難以成為一種設計方法（Liu, 1996; Liu and Eisenman, 2001）。 1-1-2 數位媒材解決傳統媒材的不足. 由於施工技術尚未成熟，雪梨歌劇院歷經 17 年，前後作了 12 次大規模的變更設計才得以完成。然而設計方法與電腦科技之關係日趨密切，使得相關電腦介入設計過程與方法的議題與研究，自九○年代開始浮現（Eastman and Fereshetian, 1994; Goldschmidt 1999;. Cao and Protzen, 1999），電腦介入傳統建築設計呈現方式而. 引發數位化建築思考模式（Liu, 1996; Krawczyk, 1997），建築空間非正交關係的複雜形式表現，並不易藉二維繪圖所完成，若能在三維向度中思考設計，直接借由數位模型的修正則比較容易達到，更進一步能呈現曲率各異、形式各異的精確造型（Lai, 1997; Krawczyk, 1997; Bai and Liu, 2001），電腦中建構模型是塑形最有效的方式，形的產生可以由電腦獨立完成，透過電腦來說明基本的設計原理，創造出個人的設計邏輯與直觀看法（Madrazo, 1999; Lin, 2002）。因此 Frank Gehry 在 Barcelona 為 1992 Olympic 所設計的魚，原本需要十年的時間來完成，卻因為數位媒材的輔助而只花費了二年的時間，自此之後由於幾何曲線建築得以在有限的經費與時間內完工，因而許多其他的建築師開始大量發表此一類型的作品（Mitchell, 1998）。將幾何曲線之造型概念直接轉化為實體建築，精確的模擬建. 3.

(9) 築的形式與結構的分析，藉由數位媒材踰越 2D 圖面的限制，成為可操作的標準設計與施工流程（Rugemer, 2001; Lin, 2001）。 1-1-3 數位媒材衍生的新課題. 設計媒材的發展歷史中，新設計媒材的出現，除了解決舊設計媒材無法掌握的設計問題（Alexander, 1964; Arnheim, 1969; Liu, 1996），同時也經常引發新的建築形式（Handa, 1999; Liu, 1995; Potier et al., 2000）；例如：數位媒材除了使原有較具變化的幾何曲線空間形式（如雪梨歌劇院）得以實現；也更進一步讓建築師創作更天馬行空的非幾何自由形體空間形式（如畢爾包古根漢美術館），因而建築更趨向純藝術（Liu, 2002）。以畢爾包的古根漢美術館為例（圖 1-2），Gehry 利用電腦中產生連續曲面的數位模型，透過電腦的運算充分展露出建築形式與空間的多樣性，跳脫傳統工業的標準化，呈現曲率各異的精確造型（Zaera, 1997; Kolarevic, 2001）。然而新空間卻衍生新課題：能夠實現天馬行空般之造型概念，精準地決定主要結構中每個部份的位置及尺寸，在營造上沒有絲毫幾何化的妥協，是否就意謂著「腦中呈現的空間感知（mental spatial representation）」與「實際呈現的空間感知（physical spatial representation）」相同？自由形體建築的特徵是形式的極度自由化和曲線化，因此對應的室內空間很難去定義一般的建築元素如牆、柱、以及屋頂，實體的自由形體建築中，大量而複雜的曲面構件所圍塑的室內空間感，是否確實完整呈現建築師最初的設計概念？數位媒材是否充分地傳達設計者原本十分抽象的設計概念？ 1-1-4 新課題的探討. 為了確認數位媒材在面對自由形體空間設計時的不足，本研究進行了一項先期實驗，以問卷的方式調查現有的設計媒材（包含素描、影像、2D 圖面、3D 實體模型、3D 數位模型、動畫）所呈現的自由形體之空間感是否與實際空間所呈現的空間感相符合。選定的實驗案例為台北縣汐止鎮的公信電子公司總部接待大廳設計（Liu and Lee, 2002），實驗一開始首先獲得此案例所有的原始設計資料，包含素描、影像、2D 圖面、3D 實體模型、3D 數位模型、動畫以及其他相關圖面（圖 1-3），接著二十位具備熟悉數位設計媒材之有經驗設計者們，在充分仔細的閱讀所有原始設計資料之後，比較腦中呈現的空間感知與現場空間經驗（圖 1-4）所獲得的實際空間感知在各向度的差異性。. 4.

(10) 所有實驗數據經過整理分析之後（圖 1-5），整體的認同度結果為 37%很接近或類似，63%相異或不相同（附錄一），因此，素描、影像、2D 圖面、3D 實體模型、3D 數位模型、動畫等設計媒材雖然解決了原設計媒材的不足，成就了非幾何自由形體建築，但同時卻也由於新空間形式因而衍生出數位設計媒材自身的不足（圖 1-6）。 1-1-5 新媒材（虛擬實境）的需求. 回顧媒材歷史的發展，當舊媒材無法解決設計的問題的時候，就必須依賴新媒材來解決（Alexander, 1964; Liu, 1996）。在先期實驗當中，受測者在空間的尺度、大小、以及室內空間的關係，明顯反應出極大的差異性，而目前在設計領域所研發的各種新設計媒材科技當中，VR cave 繼承數位模型的特質，具備極高的精準度，透過互動性的逼真視覺模擬，使人相信置身於真實的環境中，擁有極佳的空間感知與輔助設計的能力，彌補先期實驗所反應之數位媒材的不足（Chan and Cruz-Neira, 1999; Spalter et al., 2000; Acevedo et al., 2001; Fukuda et al., 2001; Paranandi and Sarawgi, 2002），因此本研究將試圖以虛擬實境之技術運用在自由形體的設計過程中。虛擬實境的技術應用已逐漸普及化（Dam, 2000; Bellman, 2001; Li et al., 2001），但目前大部分應用在建築領域的研究僅侷限於傳統建築設計的模擬（Setareh et al., 2001; Hill et al., 1999），而極少將虛擬實境的技術應用在自由形體的設計議題上。基於先期實驗針對新課題自由形體設計的分析與推論，數位媒材（影像、2D 圖面、3D 數位模型、以及動畫等）既然無法在自由形體的建築設計上充分地傳達設計者極為抽象的概念，本研究要探討的是如何運用虛擬實境的技術在自由形體建築的設計上？嘗試透過應用新媒材之虛擬實境來改善數位媒材目前在自由形體建築設計上無法充分傳達設計概念的問題（圖 1-7）。. 1-2 研究目標新設計媒材的出現，解決了舊媒材無法掌握的設計問題，且經常引發新的建築形式，數位設計媒材（影像、2D 圖面、3D 數位模型、動畫等）便是透過其精確的運算能力，建構複雜的建築形體而造就了非幾何自由形體空間形式。然而新的建築形式是建築設計不斷尋求突破與創新的初期成果，無可避免會產生新的設計問題，例如先前在研究問題所確認的數位媒材在自由形體設計上無法充分傳達設計者的抽象概念，而存在著「心智空間呈現」與「實體空間呈現」的差異性，因此 5.

(11) 數位媒材雖然解決了傳統媒材的不足，同時卻由於新空間形式因而衍生出數位設計媒材自身的不足。回顧過去設計媒材的歷史發展，當設計問題是既有設計媒材所無法掌握的時候，就必須依賴更新的設計媒材來解決問題。如先前「研究問題」中之先期實驗之分析推論，數位媒材既然無法在自由形體的建築設計上充分地傳達設計者極為抽象的概念，而目前 VR cave 具備極高的精準度與互動性的逼真視覺模擬，彌補先期實驗所反應之數位媒材的不足，因此本研究將探討如何運用虛擬實境的技術在自由形體建築的設計上？目的是使設計者在操作自由形體建築設計時，能更精確地傳達設計概念。本研究試圖透過 VR cave 來介入自由形體的建築設計過程，並搭配目前既有之設計媒材，期望藉由設計與人的互動性，輔助設計者更容易掌握自由形體設計，探討空間感知與設計方法的關聯性，進而獲得自由形體設計流程中各類設計媒材的重要性分析歸納與整理。. 1-3 研究方法與步驟當設計問題是既有設計媒材所無法掌握的時候，就必須倚賴更新的設計媒材來解決問題，也就是以新媒材來介入其設計過程。本研究試圖先以案例分析的方式整理歸納出自由形體設計流程中各類媒材的重要性分析，再以 VR cave 介入研究案例的設計過程，觀察原本的設計流程是否受到新媒材的影響而產生不同的設計思考，以瞭解新的設計媒材 VR cave 是否能解決過去數位媒材所無法掌握的設計問題，最後再透過一項空間實驗，修正與確認 VR cave 介入後的自由形體設計流程中各類媒材的重要性分析。 1-3-1 案例分析：VR cave 介入自由形體設計後的初步媒材分析. 首先透過案例分析（case study）的研究方法進行 VR cave 介入自由形體設計後的媒材分析，案例的資料收集（collected data）包含三大類：第一是取得研究案例的既有素材（existing materials）、第二是觀察研究案例的設計過程（process observations）、第三是對該案例設計者的訪談內容（interviews of the designers）。研究方法共分為以下三步驟： y 整理歸納 VR cave 介入自由形體設計前的媒材重要性分析. 6.

(12) y 初步推演 VR cave 介入自由形體設計後各類媒材的重要性 y 訪談設計者以初步確認設計流程中各類媒材的重要性 1-3-1-1 VR cave 介入自由形體設計前的媒材分析. 以案例分析的方式探討 VR cave 介入自由形體設計前各類媒材的重要性，為了精確的掌握虛擬實境媒材與設計之間的關係，本研究透過案例資料中的既有素材與過程觀察，全程觀察實際的自由形體建築案例的設計過程，包含設計概念發想與演變過程，獲得最完整的既有原始資料，並深入地探討一般設計媒材的問題，忠實的釐清自由形體的設計問題，以歸納出 VR cave 介入自由形體設計前各類媒材的重要性。而研究案例資料的既有素材收集與過程觀察，必須注意下列幾點： 1. 全程觀察此案之設計過程。 2. 獲得各個階段所有的草圖、概念圖、2D、3D 圖面以及電腦模擬圖。 3. 記錄設計發展的過程。 4. 建立本案完整之檔案資料庫，依時程與檔案類型做好分類與彙整。本研究選定的案例為位在中國大陸廣州深圳出口加工區的兆曜電子廠房接待大廳設計案，設計單位為交大建築研究所，研究案例為三層樓高之高科技電子廠房建築，佔地約 5000 平方公尺，造價約為二千萬之工程。由於該案之業主認同自由形體設計（圖 1-8），因此也希望在其電子廠房（圖 1-9）能夠擁有類似的自由形體設計。 1-3-1-2 初步推演 VR cave 介入自由形體設計後各類媒材的重要性. 主要是希望在研究案例的設計過程中充分利用 VR cave 來輔助設計的發展，過程分為三階段，概念設計階段、設計發展階段、以及細部設計階段，在每個設計階段中透過 VR cave 的媒材特性，進行各種設計操作與呈現模擬（圖 1-10），探討其對於設計的影響力，以及在輔助設計方面與其他媒材優缺能力比較分析，最後推演出 VR cave 介入自由形體設計後各類媒材的重要性。本研究所採用的虛擬實境設備是一套以 PC-Based 的三面式背投影設備，共六台單槍投影機，每台投影機由一部電腦控制，六部電腦藉由區域網路相互連結作為 Client 端，另有一台額外的電腦作為 Server 端（圖 1-11），控制六部 Client 端同步顯示，二台投影機同時投射左右眼的即時立體影像，受測者使用時須配戴被動式偏光型立體眼鏡。以高階的運算配合高品質的影像輸出模擬真實度與沉浸感，此系統不但具備沉浸式高真實度的立體視覺效果，同時能透過軌跡控制棒（hand. 7.

(13) tracking）的介面讓使用者與模擬系統作即時的互動。完成研究案例的 VR cave 模擬與分析之後，了解各類設計媒材在各個設計階段中的重要性與必要性，彙整資料作整理分析與比較，以推演出 VR cave 介入自由形體設計後的媒材重要性，媒材分析之組織架構如圖 1-12 所示。 1-3-1-3 訪談設計者以確認初步媒材分析. 在案例資料中包含一項訪談（interview），受訪者為研究案例的設計團隊中二位主要的設計者。本研究在獲得一個以 VR cave 介入自由形體設計後的初步媒材分析之後，將案例研究資料中對設計者的訪談內容（interviews of the designers）作為分析依據，進行階段性的確認。 1-3-2 空間實驗：VR cave 介入自由形體設計後的媒材分析修正與確認. 在以案例分析的方式推演出 VR cave 介入自由形體設計後的媒材重要性，本研究接著將進一步操作一項空間實驗，分析比較自由形體的設計過程中，使用傳統 2D、3D 媒材、各類數位媒材以及 VR cave 的優缺點，進而修正並確認 VR cave 介入自由形體設計後的媒材重要性分析。 1-3-2-1 確立設計因子. 為了讓各類設計媒材在實驗中有比較的依據，同時確立實驗的可信度與理論基礎，本研究試圖從早期關於設計方法與設計行為的研究中，整理歸納隱含在設計行為中的設計因子，最後確立本研究在操作實驗中的設計因子項目如下： y 外部造型：建築或空間的形狀。 y 內部空間：空間的種類、機能以及相互關係。 y 比. 例：物件、空間、或建築自身的長寬比（proportion）。. y 尺. 度：構件與構件、人、或空間的相對比例關係（scale）。. y 動. 線：人在建築空間環境中移動的過程、行進的路線。. y 結. 構：建築的主要架構。. y 材. 質：提供的材質材料。. y 視覺動態：設計媒材所能提供動態視覺效果，也就是在視覺上的連續性。 1-3-2-2 選定受測者. 空間實驗選定 20 位介於 22 歲到 35 歲不等的受測者，其受教育程度從大學畢業以上到博士學位之間，由於本研究著重於自由形體建築設計與空間認知，因此受. 8.

(14) 測者必須是建築或設計相關科系的背景，受過建築設計或室內設計的專業訓練，同時在實驗的操作過程中，受測者必須使用各種不同的設計媒材，包含各類的數位媒材，因此受測者也同時必須熟悉電腦相關 2D、3D 繪圖軟體以及多媒體的操作與應用。 1-3-2-3 評估工具. 本研究在實驗問卷的部分採等距評量法（graphic rating scale）當中的五點尺度評定法（five-point rating scale），也是一般研究中最簡單也最普遍的評估方法，作為評估受測者反應的依據（Likert, 1967），以形容詞來描述刺激知覺的數值，讓受測者在既定的範圍中選擇最能表現其知覺的項目，以檢測受測者對各項議題的認知程度（圖 1-13），此評估方法亦可作為評估態度、信念、或意見等。 1-3-2-4 實驗步驟與方法. 實驗者會以實驗素材中一系列的圖片，說明實驗案例在每一階段的設計過程和設計內容，並提供該階段相關之 2D 圖檔及 3D 數位模型檔予受測者即時操作，以獲得更精確的評估，受測者依照媒材順序操作檔案並填寫問卷，填寫完一個設計階段的問卷之後，進入下一個設計階段，過程中受測者可隨時表達意見或提出問題，實驗共須完成 20 位受測者（圖 1-14）。針對 20 位受測者的回收問卷，依據受測結果作初步分析，以造型、空間、比例、尺度、動線、結構、材質、與視覺動態，作為分析因子，綜合分析結果不斷修正並檢測及確認可信度之後，完成整個 VR cave 介入自由形體設計後的媒材分析。. 9.

(15) 第 2 章文獻回顧. 2-1 自由形體在設計媒材中的發展 2-1-1 傳統媒材之發展. 早期在電腦尚未發展成熟時，已有一些關於呈現方式與傳統媒材的研究（Arnheim, 1969; Kostof, 1985），古代建築師用文字描述抽象的建築設計過程（Hewitt, 1985），設計過程從自然到刻意持續演化（Alexander, 1964），每個歷史時期的建築在時間與空間中產生差異性，相對地反應出不同時代的空間觀念與歷史風格（Handa 1999）。古埃及時代，許多大型的建築設計案在建造前便先將設計者的概念，透過平面與立面圖畫出來，同時在圖面的呈現上，已經有輔助規線來控制立面的比例，這是建築史上透過二維的呈現媒材來從事設計思考最早的例子（Millon 1994）。古希臘時代延續古埃及的發展而有更進一步的二維圖面的呈現方式，此時的平面圖表式法已經與現今的方式十分接近，例如以雙線表示牆的厚度，平面圖已能定義到相當明確的程度（Kouzeli, 2001）。因此，當時二維圖面的使用是建築師表達設計概念的必要方式，建築物的平面與立面基本上十分規律，這種規律性與幾何性大部分來自當時對美感的要求。古羅馬時期二維圖面運用在表達建築概念上，已經發揮的淋漓盡致，由於二維圖面的健全發展，因此在建築設計上已初具空間變化性，但基本上仍然是規律、秩序的東西（Adam, 1990）。中世紀時期的建築在呈現媒材的發展上並沒有明顯的突破，仍然只依賴圖面來輔助思考未來的空間及量體，而沒有將模型的概念帶到設計過程中，當時的宗教紀念性模型，並非在建造前作為輔助設計的媒材，不過模型的形體與空間開始複雜、求變化，並且有人和尺度的觀念，也有一些比較細緻的裝飾（Recht et al, 1985），為文藝復興時期的媒材發展奠定了基礎。建築設計媒材發展至十九世紀之前，二維圖面仍然只傳達了抽象的視覺思考與視覺概念化的語彙（Goldschmidt, 1999），建築物的造型還不能展現基本的自由度，腦中的概念無法透過畫圖表現出來，只能完全靠口述形容的，建築設計仍處在具限制的媒材呈現方式。從哥德晚期一直到文藝復興時期，建築形式的變化在建築呈現媒材的發展上產生了推波助瀾的效果（Kostof, 1985）。文藝復興時期對於設計方法與呈現方式最大的貢獻，就是在設計過程中大量地使用模型（圖 2-1），除了掌握量體也掌握細部，讓造型與空間設計獲得較佳的精確. 10.

(16) 度（Millon, 1994）。此時，模型已不再是宗教儀式性質，而是突破二維圖面媒材在處理設計思考上的限制，藉由三度空間的實體模型將建築形式、空間、結構清楚表達（Lin, 1999），自文藝復興早期開始，模型的參與已經成為建築設計思考過程不可或缺的媒材，文藝復興以後模型在設計過程中所扮演的角色，就是彌補二維圖面的限制，模型使建築創作者的設計概念更加具體，更能精確地掌握建築形式、空間、結構、與細部，因此文藝復興建築的形式比以往更豐富而多變化性。設計者透過二度空間圖面與三度空間模型相互搭配，在設計的不同階段運用不同的媒材具體呈現抽象概念，一直到今日都是最基本的設計方法與過程（Liu and Eisenman, 2001）。模型雖然解脫了二維圖面的不確定性，但距離天馬行空般的概念還很遙遠，一直到二十世紀，造型上的限制被少數幾位建築師所突破，包括 Antoni Gaudi 的 Casa Batllo、Le Corbusier 的 Ronchamp Chapel、Rudolf Steiner 的 Goetheanum（圖 2-2），這些建築在歷史上只能期待偶爾出現，而不可能成為一種設計方法（Liu, 1996）。 2-1-2 數位媒材之發展. 電腦參與建築設計的發展歷史，可以從 1963 年電腦初始具備畫圖能力算起（Liu, 1995），科技的日新月異帶動了建築設計的成長，從只有尺和筆作設計的年代，研究者開始將電腦繪圖的能力應用在建築設計上，同時運用電腦處理大量資料的能力，做一些複雜的運算工作與資料儲存，整合其相關的建築圖文資料（Eastman and Fereshetian, 1994），藉著軟體的操作以加強設計者與他人之間的溝通，電腦逐漸成為建築設計最重要的革命性工具，即是早期所謂的「電腦輔助繪圖」，屬於設計表現的層面（Cao and Protzen, 1999）。科技演進至 1993 年，電腦在影像處理與合成技術發展健全，同時電腦模擬與動畫科技也日漸成熟，再加上網際網路的突然興起，為建築帶來更大的衝擊，全球的建築圖文資料也是建築知識都能在網際空間中隨時隨地快速的取得與交流，此時電腦已經超越軟體應用的範圍而進入設計本身，在設計的領域中不在只被視為「工具」，而是進一步成為參與設計思考與施作方式的呈現媒材。設計方法與電腦科技之關係日趨密切，使得相關電腦介入設計過程與方法的議題與研究，自九○年代開始浮現（Goldschmidt 1999）。建築空間以非正交關係的複雜形式表現，並不易藉二維繪圖所完成，若能在 3D 中思考設計，直接借由電腦模型的修正則比較容易達到（Lai, 1997），相對於傳統的設計工具，電腦踢除了許多二度空間的步驟，而避免掉許多錯誤及瑣碎的動作。九○年代電腦已能精準的模擬空間形式、光線以及材質的變化，對於暸解建築設計的議題、概念和發展. 11.

(17) 相當有幫助，不論是在設計的早期或晚期，因而產生了新的視覺衝擊影響評估的設計程序，（Bai and Liu, 2001）。電腦逐漸參與設計方法的過程，設計師抽象的概念，必須藉圖面、傳統模型、電腦模型以及相關模擬的分析，一同搭配來表達，更能清楚地表達其原本抽象的概念，加強設計者與他人之間的溝通，如同 Liu （1996）提出的當代數位化建築思考模式的初步理論模型，建築的設計過程與設計方法在二維向度、三維向度、以及數位表現三者之間轉換運行（圖 2-3），強調的是建築設計過程與設計方法的轉換運行。其他電腦媒材諸如影像處理、動畫以及虛擬實境等等，在設計方法與設計過程中都扮演極為重要的角色，並實際有效地使用在設計過程中各個不同的階段，Simon （1981）所提出的人類逐漸依賴電腦工具來增加認知能力的論述，從近年來關於呈現方式與傳統媒材的研究得到印證，電腦介入傳統建築設計呈現方式而引發數位化建築思考模式（Liu, 1996; Krawczyk, 1997），不論應用在建築教育、網際網路（Murray, 1997）、甚至古蹟復建的學術研究議題上皆強調概念與呈現媒材是緊密結合在一起的（Potier et al. 2000）。如果將建築的形體作為研究探討的主題，其發展的歷程也能夠視為一段完整的建築史。在十九世紀之前，建築物的造型還不能展現像雕塑品般的自由度，主要是因為建築設計仍處在具限制的呈現方式（Liu, 1996），設計者經常運用建築的手法，來詮釋許多從自然界觀察所獲得的自由線條與形體，然而眼前的景物與空間的想像雖然無限自由，但落實為建築的形式時，卻受到設計表現法、建築材料、結構與施工技術的限制，最終只能以幾何的線條來轉化自然界自然的形體。這種由觀察到思維，由思維再到創作的侷限性，一直是十九世紀以前建築師所無法突破的困境。傳統的建築設計透過圖面、模型來從事概念創作，其中模型經常用來解決 2D 圖面所無法解決的複雜問題（Lin, 1999），這從文藝復興時期大量使用模型的建築歷史發展可以獲得驗證（Millon, 1994）。雖然設計者試圖以模型創作的方式突破正交座標的束縛，讓建築創作者在建築形式上有較大了發揮，但卻陷於因施工需求所必須繪於二維平面的窘境，無法克服建築巨大尺度的限制（Lai, 1997），最後還是回歸以幾何的線條來轉化自然形體的無奈。建築形體發展到現代主義之後，愈來愈多的建築師企圖解放這種形體與空間的先天限制，如前述 Antoni Gaudi 的 Casa Batllo、Le Corbusier 的 Ronchamp Chapel、. 12.

(18) Rudolf Steiner 的 Goetheanum，以及 John Utzon 的雪梨歌劇院，都展現創造自由形體與空間的理念，然而其設計過程卻必須仰賴建築師過人的空間知覺與空間操作能力，並配合高度專業訓練的工匠進行施工，以釐清建築呈現方式與實際建築物之間的模糊地帶，克服掌握建築量體精準度與自由度的困難，突破當時圖面與模型的侷限，這些成功落實的著名案例再三突顯建築師追求自然與解放建築的渴望（Liu and Eisenman, 2001）。 2-1-3 自由形體設計之浮現. 上述這些設計方法與施工方式的限制，隨著九○年代數位科技的快速發展而逐漸鬆動，電腦在技術上的開發與突破，以 3D 物件取代平面語彙，促使電腦介入了建築設計思考的層次，儼然成為當代新的輔助思考的設計媒材，Sanders 從一個執業者的觀點評論「學設計的人必須知道如何利用電腦軟體在三維向度中思考設計，組織技巧是非常重要的。」教育者和執業者必須能用這些新的科技來重新思考設計的方式，並從各個層面來做建築設計的探究（Mitchell 1997）。這種新趨勢所帶出來的建築特徵，是形式的極度自由化和曲線化，透過電腦模型的製作，精確的模擬建築的形式與結構的分析，從設計到生產，數位一直是必需品，電腦模型的數位資料直接輸出到工廠的製造過程，透過電腦輔助製造的技術，每一塊不同曲率而精準的面板便輕易完成，全球建築界因而陸續產生數位建築並持續快速地增加。這些數位建築最大的特色就是造型的變化，但不只是設計的邏輯，美學與原創性也是相當重要，設計者在造型的過程中若沒有積極思考，設計是不會發生的，而在電腦中建構模型是塑形最有效的方式，形的產生可以由電腦獨立完成，透過電腦來說明基本的設計原理，創造出個人的設計邏輯與直觀看法（Madrazo, 1999）。電腦運用龐大的記憶與運算的速度，細緻逼真地模擬建築的材質與光影的效果，經由電腦模型的詮釋與檢討，我們所熟悉的建築元素、形式、機能、空間等均有機會被重新定義。電腦介入傳統建築設計呈現方式，提供了傳統使用圖面與模型之程序以外的可能性，建築空間以非正交關係的複雜形式表現並不易藉二維繪圖所完成，若直接藉由三維電腦模型的修正則比較容易達到，電腦輔助建築設計在建築形式上，更能呈現曲率各異、形式各異的精確造型（Krawczyk, 1997）。在電腦輔助建築設計領域中，許多研究持續發表相關於設計的論述，其中最具衝擊性的爭議在於電腦究竟是設計工具抑或繪圖工具（Cao and Protzen, 1999），基於電腦輔助設計的理論. 13.

(19) 基礎與軟體發展，使得電腦有機會成為設計早期的設計工具，Hanna 與 Barber 於是嘗試研究電腦是否能成為設計過程中唯一的設計媒材，讓不具電腦經驗的學生接受以電腦作為唯一設計媒材的建築設計課程訓練，結論為電腦媒材確實會影響學生對設計過程的見解，有助於設計認知、直覺、與創造力的發揮（Hanna and Barber, 2001）。 Mitchell（1997）所分析的「整合傳統設計媒材與數位設計媒材」，說明實體建築與繪圖、實體模型、數位模型之間的互動關係（圖 2-4），強調電腦應更普遍地融入設計過程，並延伸進建築的過程，在那裡更多的價值會被找到。建構的程序讓傳統的平面文件轉成實際的建築；而相對的步驟則是測量繪圖的程序。但存在於三維模型和實際建築之間類似的關係，在今天並不普遍。當設計師開始畫圖的時候，設計與製造之間隔閡就會被開啟（Mitchell and McCullough, 1995）。在建築專業界與產業界的領域中，電腦不應再只被視為繪圖表現法或只是視為設計意象，而是建築創作在數位時代中前瞻而且必然的發展，在實務設計的過程中，由設計概念一直到營造施工，都有必要去探討數位這項複雜而精確的設計思考媒材，設計者必須擁有數位媒材與建築設計兼備的能力，在設計早期至晚期全程投入，配合材料、營建、施工的需求，完成自由度、複雜度、精確度極高的自由形體建築（Liu, 2002）。 2-1-4 自由形體建築之實務發展. 數位建築在建築實務界中，當代的 Frank Gehry 是最具代表性的例子，Gehry 致力於追求沒有規則的建築，他曾說「我在設計小尺度的結構體時，僅定義線形和外部牆，而讓使用者去安排屬於自己的彈性空間，這樣他便和建築建立了另一層關係」（Gehry, 1976）。而在 1986 年，Gehry 發掘出一套極有效率的方法，能將設計發展至相當細部，並快速地建造完成，他以電腦作為輔助設計的媒材，打破了存在過去的枷鎖，從此改變了他的設計思考模式。這個關鍵性的轉變是他在西班牙巴塞隆納所設計的 Fish Sculpture，也是今日之數位建築的開端。Gehry 首先很快勾勒一個大概的草圖之後，便將此隨性的造型用木條彎曲出初步規模的模型，然後利用數位 3D 掃描器將它輸入電腦，成為數位化的電腦模型，利用電腦模擬進行空間的分析、結構分析、細部的掌握、造型的修飾等等，然後再由電腦模型輸出金屬的實體模型（Mitchell and McCullough, 1995），用來與業主檢討設計的發展，以及跟原始的木製模型作對比，最後由電腦模型轉換成各種平面施工圖，以便讓工廠能夠直接輕易地輸出每一個曲率不同的構件，將傳統營造廠所不熟悉的自由形體順利的施作完成（圖 2-5）。. 14.

(20) 類似的設計過程也發生在 Gehry 日後所創作的許多設計案中，其中最著名的是西班牙畢爾包的古根漢美術館，Gehry 以未來派的設計風格，賦予美術館喚醒畢爾包過去的鋼鐵造船工業生命力，以及反應出畢爾包未來的遠景，吸引觀光客並且刺激都市的發展，成為世界知名的建築地標。在設計初期，快速勾勒草圖的過程中，經常會有模型的參與，因為 Gehry 操作設計的思考，一向將造型取決於模型的研究階段（Bruggen, 1998），然後將一系列粗糙的手工製模型利用數位 3D 掃描器踰越了 2D 圖面的限制，在電腦中產生連續曲面的數位模型，利用電腦的運算充分展露出建築形式與空間的多樣性，跳脫傳統工業的標準化，呈現曲率各異的精確造型（Zaera, 1997）。接著輸出平滑的實體模型，如此反覆修改設計，而法國航太製造業所研發的軟體 CATIA 便成為 Gehry 工作的利器，CATIA 能精準地決定主要結構中每個部份的位置及尺寸，讓複雜的非幾何造型能夠以簡潔的連接做處理。從畢爾包的經驗中，Gehry 體會到 CAD 也能夠用來做施工前的演練，以獲取最經濟的效益（Saunders, 1999）。最後電腦模型的每一個構件成為實際的曲面金屬牆或曲面玻璃牆，連接到 CATIA 的雷射測量裝置，能夠精準地放置每個構件，如此大量而複雜的金屬曲面，包被在建築之外依然平坦柔順，就和在電腦中所定義的完全一致，在航太工業中最基本的要求，相對於建築卻是很新的技術（Osman, 2001）。經歷若干個設計案之後，Gehry 嘗試過各種不同的設計過程，整體而言，是以數位 3D 掃描器將實體模型輸入電腦成為數位化的電腦模型（圖 2-6），再以雷射切割的技術，將電腦模型輸出精確的實體模型，如此反覆操作並加以揣摩檢討，這也正是 Mitchell（1997）所提出的「整合傳統設計媒材與數位設計媒材」當中最重要的一環。另一位數位建築的帶領者 Peter Eisenman 則運用電腦記錄了設計過程中的虛與實、存在模糊與清晰之間的另類空間，他曾說「如果不藉助電腦的運用，這些空間的思考是不可能的，電腦確實使他跳脫過去方正傳統、笛卡兒式的思考空間，脫離從前對空間及實體的束縛，電腦是將一個實體像雕刻般切出想要的形體，而他則喜歡在空間中架構形體」（Koch, 1997）。數位時代設計由概念圖中自我衍生，Eisenman 的建築蘊含著強烈的意志力，其空間型態的皺摺與扭曲創造出不同於笛卡兒座標關係的型態，電腦概念圖便發展成電腦繪圖與電腦模型，如果沒有電腦模擬建築涵構於環境中的尺度與關係，設計根本無法產生。. 15.

(21) 數位建築的發展與落實在 Gehry 以及 Eisenman 的帶領之下，數位設計媒材逐漸深入全世界的各個建築專業領域，舉凡 dECOi、Ocean、UN Studio、NOX 等新生代建築團體，皆不斷地嘗試各種新的數位建築實驗，在台灣所創辦的遠東數位建築獎，便在全球數位建築發展的關鍵初期，透過網際網路的虛擬空間，為新一代的設計者提供一個交流、觀摩、與競爭的機會（Liu, 2002）。而獲得 2001 年遠東數位建築佳作獎的德國參賽者 Bernhard Franken，其作品 Dynaform-BMW Frankfurt Motorshow 2001 Pavilion，以簡潔流暢的自由形體設計而獲獎，將數位設計媒材落實在建築實務（圖 2-7）。其設計的過程，是先利用與電腦動畫模擬之互動產生出造型，利用平面與剖面的曲率衍生出偏轉的力矩，作為縱向結構的依據，同時在量體的橫向等距產生剖面，以其剖面線作為橫樑的基本形體，這些都是此設計能夠實現的重要依據，而都必須藉由電腦媒材來完成。此設計已不具備一般的建築元素，如牆、柱、窗、及屋頂，很難去解讀其室內空間的機能，就像是一座獨立的雕塑品，這也是自由形體建築獨特的特徵（Rugemer, 2001）。最後一個關鍵性的程序，是透過電腦輔助製造的技術，將其數位化之造型直接轉化為實體建築，在營造上完全沒有幾何化的妥協，這一點在自由形體建築的實務的過程中相當不容易達成的。數位時代的建築，所面臨的挑戰不再只是如何去設計，而且還包含如何去實現建造，就如同工業時代來臨之前。自由形體設計為建築帶來許多新的可能性，電腦輔助製造的參與更激發了數位建築的潛力，建築已改造為形體上的實驗，其中部分為電腦運算的材料製造，部分為動態空間的塑形產生（Zellner, 1999）。近幾年來，電腦輔助設計與電腦輔助製造對建築設計與營建造成進一步的衝擊，為建構複雜之形體建築提供了新的契機，那是相當困難而昂貴並且無法以傳統的營建技術實現（Kolarevic, 2001），當 Gehry 的前衛藝術建築完成的那一時刻，數位媒材設計對建築設計思考的改變是無可避免的，平面圖對於設計已經幾乎不具意義，統一、重複與對稱逐漸為無限的變化所取代，數位科技持續的挑戰建築的歷史發展（Lin, 2002）。建築師在從事建築創作的時候，就像藝術家一樣經常有無限的想像，然而受到設計媒材與營造技術的限制，經常必須與現實妥協，而藝術家沒有表現法與建築技術的包袱，創作的自由度遠超過建築設計創作，形成了純藝術與建築之間的差異。數位時代的電腦媒材融入了建築設計思考的過程中，在設計方法上產生的革命性的關鍵改變，因而解放了長久以來建築師受到傳統設計媒材的侷限，形成了完全自由的數位建築，漢寶德先生認為這類因數位科技解放後的空間，讓建築更. 16.

(22) 趨向純藝術。. 2-2 虛擬實境在設計媒材中的發展多媒體（multimedia）設計是最近相當熱門的研究議題（Dave, 2000），研究者希望利用多媒體為概念、設計與溝通帶來助益（Madazo, 2000; Haymaker, 2000），其中相當重要的一項便是虛擬實境。虛擬實境一詞可定義為人與電腦所產生的動態所發生的互動關係，也是人被三度空間電腦繪圖環境包圍的體驗，而且使用者可以在其中任意遊走、改變視角、抓取物件、或是更改其型態，而虛擬環境（virtual environment, VE）的目的是希望透過互動性的視覺模擬使人相信置身於真實的環境中，其使用者介面完全不同於傳統的電腦輔助設計，徹底改變了研究者的設計思考（Rheingold, 1991）。目前已經有大量關於虛擬實境的研究，包括硬體的開發與系統的應用，虛擬實境可分為被動式（passive）、探索式（exploratory）、以及沉浸式（immersive）等三大類（Belleman et al., 2001）。1960 年代，Ivan Sutherland 首次將虛擬實境實際應用在建築方面，到了 1980 年代後期虛擬實境漸漸的受到歡迎而普及化，並於 1990 晚期成為技術研發的主流（Paranandi and Sarawgi, 2002），將虛擬實境這項科技深入地應用在實際的建築案例上是有相當的研究價值（Dam, 2000）。 2-2-1 虛擬實境之硬體設備. 目前發展中的虛擬實境的硬體系統有許多類型，例如桌上型螢幕顯示的虛擬實境系統，頭盔式的虛擬實境系統（head mounted display, HMD），投影螢幕構成虛擬環境的沉浸式虛擬實境空間模擬器系統等（Blach et al., 1998）。空間模擬器是一個約房間大小尺度的立方盒，其中三面牆與一面地板為投影之螢幕，由高解析度數位式之投影機，將 3D 立體視覺影像交錯投射至牆面與地板上，所產生的虛擬環境，使用者站在其中，透過所佩戴之主動式液晶遮柵立體眼鏡，將牆面上交錯的畫面正確地分配到左右眼，頭頂並有追蹤裝置以提供使用者與虛擬環境互動。最初由伊利諾州立大學（Illinois University）的電子視覺實驗室（Electronic Visualization Laboratory）所研發完成（Cruz-Neira, 1998），而接著愛荷華州立大學（Iowa State University）的人造環境實驗室（Synthetic Environment Laboratory）開發了第二代虛擬實境空間模擬器系統。由於龐大的運算需求，目前虛擬實境空間模擬器大都用工作站等級的 Silicon. 17.

(23) Graphics Onyx2 Infinite Reality3 電腦主機與系統（Baker 2000）。虛擬實境空間模擬器的設備必須能處理高階的運算並配合高品質的影像輸出，因此通常相當昂貴，其成本關係著模擬的真實度與沉浸感，最近隨著個人電腦的普及化，Li（2001）研發出了 PC-based 的虛擬實境空間模擬器系統（圖 2-8）。直到目前虛擬實境的設備仍因為昂貴的經費需求而並不普及，但目前一般的個人電腦的等級已經能用來發展大型虛擬實境系統的主機。Belleman（2001）的研究目標就是期望以最一般的硬體設備創造一套沉浸式虛擬實境系統，不但要滿足各類虛擬實境所需的特殊能力，同時盡量降低硬體的成本。一般高畫質的螢幕是相當合適的顯示設備，但若要供多人使用則有畫面太小的困擾，最快的解決方法是採用高亮度的投影設備作大面積的投射，讓多人能同時觀看與使用，並且採用背後投影的方式讓使用者能自由地在螢幕前移動而不會干擾螢幕的投影。投影式的虛擬實境系統可分為主動式與被動式二種產生立體影像的方式，主動式投影是同步交錯產生左右二眼的影像，透過偏光濾鏡或立體眼鏡讓左右眼接收到各自正確的影像，為避免造成眼睛疲勞而使影像失真，因此投影設備的顯示頻率必須在 100Hz 以上（每一眼 50Hz）。立體眼鏡的鏡片使用液晶材質讓系統能透過有線或無線的方式控制其透明與否，因此投影右眼的影像便遮蔽左眼，反之投影左眼的影像則遮蔽右眼，雖然這樣的系統是最普遍的立體影像產生方式，但是硬體設備卻十分昂貴並且不適合長距離使用（Li et al., 2001）。被動式投影則是透過線性的偏光眼鏡來區隔左右眼的影像，讓左眼接收水平線性影像，右眼接收垂直線性影像（圖 2-9），相對的也需要兩台投影機同樣分別透過線性偏光濾鏡投射左右眼的影像以對應使用者所戴的偏光眼鏡，被動式投影的缺點是兩台投影機必須十分準確相對的對齊。控制影像輸出的系統可分為雙主機雙顯示卡、單主機雙顯示卡、單主機單顯示卡雙輸出孔、以及單主機單顯示卡雙輸出畫面，雙主機是藉由網路相互連結，兩台主機擁有各自的顯示卡，適用於被動式投影系統，最大的優點是能夠以各自的顯示卡同步分別運算各自的圖像（左眼及右眼），提昇整體的速度與效能。單主機雙顯示卡的優點則是二眼影像之間連結不必透過網路，直接由單一的系統主機控制，然而目前單一主機不支援雙 AGP 顯示卡，而必須採用一 AGP 顯示卡、一 PCI 顯示卡的方式，大大減低運算的效能，不同規格的顯示卡也會影響二眼影像同步的輸出顯示。單主機單顯示卡雙輸出孔雖然能順暢的同步輸出，但支援的系統與影像處理軟體卻十分有限（Belleman et al., 2001）。. 18.

(24) 2-2-2 虛擬實境之使用者介面. 關於沉浸式虛擬實境系統的使用介面，相對於 2D 視窗介面（windows，icons， menus，pointing）在結構與外觀上的共通性，3D 使用者介面由於互動空間與自由性的複雜度，因而只用到 2D 介面某些較普遍的準則。 Laviola（2001）將遊走（navigation）從 3D 使用者介面中分為三種不同的類別：探索（exploration）、搜尋任務（search task）、策略行動任務（maneuvering task），探索是沒有特定目標的任意遊走，搜尋是到達某特定目標的移動，策略行動則是短程而精確的移動且利於執行下一個任務。遊走任務的組成元件包含動態元件— 移動（travel）、以及認知元件—找路（way finding），例如在大量的 3D 資料中，使用者必須從一點移動到另一點，並且逐漸在 3D 元件之間找出空間的關聯性。遊走的使用介面可分為五類：第一、利用身體的移動。第二、利用手的動作（如拖曳滑鼠）來移動。第三、僅控制方向的連續性前進。第四、超連結跳躍式移動。第五、指定路線前進。虛擬實境中的點選與操作介面用來選擇、放置、移動、旋轉物體，傳統的方式是透過手上的追蹤器來操控虛擬手臂或 3D 游標（圖 2-10），缺點是無法控制遠方的物體，新一代虛擬手臂能投射出光束（ray-casting）來改善此缺點，但若是非常小的物件則仍不易觸及，因而又發展出如探照燈之類的點選工具。為了加強點選與操作介面的功能而在 3D 環境中加入類似 2D 介面的工具列，更發展出透過手勢和語音在虛擬世界中編修電腦模型、改變物件屬性、錄製電腦動畫。操作介面發展的趨勢是如何加強與使用者之間的互動，例如在虛擬環境中置入與實體介面相同造型的虛擬介面（圖 2-11），在工具與功能之間提供使用者熟悉的轉化介面，減低使用者在認知過程上的負擔（Alvarado et al., 2001）。虛擬實境系統的循跡設備是由使用者將追蹤器戴在頭上，讓系統能準確定位使用者所在的座標位置並追蹤移動的距離，軌跡棒則拿在手上與虛擬環境中的物體作互動，如同一支三度空間的滑鼠。循跡技術（hand tracking）讓使用者能透過虛擬實境系統的力回饋獲得 3D 物件更多的大小形狀資訊，並且系統也能判斷使用者的正確方位而強化其互動性，在維持上述需求的範圍內尋求最低的製造成本。根據不同的追蹤技術衍生不同的循跡技術，例如：磁力學、音學、光學、以及慣性力學的循跡系統，不同的系統各有其優缺點，而在虛擬實境中運用最普遍的為磁力循跡系統（Belleman et al., 2001）。. 19.

(25) 虛擬實境亦可透過軟體結合實體與虛擬的介面，以筆式輸入系統作為輸入介面，在虛擬環境中的虛擬面板點選按鈕或功能表來建構 3D 元件，即時運算受到各種不同的外力參數，並即時在頭盔式顯示器中輸出（Setareh et al., 2001）。某些虛擬實境系統亦能夠允許多人同時使用，讓虛擬的環境中也能進行討論，改善頭盔式虛擬實境設備只能提供單人使用的缺點。透過左眼與右眼些微不同的影像輸出以產生立體視覺效果，如同在真實世界兩眼所接受到的影像差異，此為虛擬實境設備獨特的特殊能力（Li et al., 2001）。在虛擬實境的操作介面中還包含應用程式的控制，負責切換應用程式、改變互動模式、修改參數，操作技術可分為四類：圖形選單、語音指令、手勢互動、以及虛擬工具，這些技術能結合各種不同方法產生混合式介面，使成為更自然、直接的介面。未來應在 3D 互動科技中強化人工智慧的技術，使應用程式能借由演算法自我學習，衍生更新一代的使用者介面（LaViola et al., 2001）。 1997 年 SARA 計算機與網路中心開始將虛擬實境的設備與技術應用在學術的領域，目前 SARA 發展出一套可以透過聲音及手勢產生互動的虛擬實境技術，並且成功的運用在許多案例上。以一般的硬體設備所組成的虛擬實境系統成本相當經濟，提供充分的效能與高階虛擬實境系統的影像處理能力相當，SARA 計算機與網路中心以此為基礎，透過虛擬實境的技術，短期目標為完成已經在進行的醫學研究，長期目標則為研發多螢幕沉浸式虛擬實境系統（Belleman et al., 2001）。 2-2-3 虛擬實境在設計之應用. 在設計的過程中，電腦科技經常運用在設計的晚期，而比較少介入到設計的早期，同時經常用在大量的圖面與影像，而比較少關心設計的品質。然而虛擬實境的科技刺激了建築的創造力，為了探索電腦在量（qualitative）的貢獻，針對創造力所設計的虛擬實境系統，是頭盔式顯示配合追蹤裝置的類型，設計者在其系統中試圖從事初期的概念設計，藉由跟傳統設計過程與方法做比較來檢視虛擬實境的貢獻，結果發現兩者在形的設計不同，使用虛擬實境作設計呈現比較豐富的多樣性以及複雜度，並且於設計的早期使用較頻繁（Dam, 2000）。要提昇虛擬實境為設計的媒材，必須提供設計者在設計過程中一個能創造數位模型的虛擬的環境，包含在設計的初期。虛擬實境具備沉浸式的效果以及與設計者互動的特性，設計者能在真實的尺度（full-scale）中從事設計，然而當建築設計. 20.

(26) 在大部分的虛擬環境出現錯誤時，經常無法立即更正，而必須在一般電腦作修改之後，再重新置回虛擬實境系統，這樣的步驟也使得設計者無法在虛擬環境中比較設計修改前後的差異（Alvarado et al., 2001）。大部分的計劃案都是需要一套虛擬的環境讓使用者完全沉浸在虛擬的世界裡，因此虛擬實境系統必須能感知使用者的動作來和使用者產生互動（圖 2-12），結合視覺呈現與行為互動提昇使用者對虛擬世界的意識（Belleman et al., 2001）。新一代的人機互動工具虛擬實境強化了設計的過程與方法，讓設計產品在最後完成之前，可以用各種比例尺度與向度，從不同角度觀點用不同細節層次檢討設計的可能性，能透過直覺式的設計探索減少時間和成本的浪費（Hill et al., 1999）。沉浸式虛擬實境系統讓使用者能夠以新的方法從事概念發展，真實世界中因為經費或時間的因素而無法進行的研究，亦或是像火山口、原子內部結構等無法真實體驗的環境，都能夠在沉浸式虛擬實境系統中作積極的模擬，讓抽象的概念在視覺化中互動例如化學方程式研究等（Cruz-Neira, 1998），虛擬環境中探索式的自然學習方式極適合科學家與工程師的培養訓練，是未來個人或合作式遠距學習的理想平台。 Spalter（2000）運用空間模擬器進行色彩學理論的教授，在真實環境中色彩學是十分抽象與多向度的，即使透過圖形或實體模型亦難以清楚說明，電腦模型提供色彩學習上相當有價值的彈性化空間，例如相當容易地快速編修顏色，但仍無法詮釋色彩三度空間性的困難度，以及光線與物體色彩之間複雜的交互作用。在空間模擬器中的色彩博物館，使用者能從各個角度視點甚至沉浸其中充分體驗色彩的空間性，並且運用虛擬實境的視覺與互動技術讓向下飄落的色票隨著不同的色彩空間而即時變換顏色（圖 2-13），在沉浸式虛擬實境系統中的色彩空間經驗與桌上型螢幕的三度空間經驗是完全不同的，這樣的空間經驗有助於使用者更清楚理解色彩結構以及不同空間的相互能力。例如由顏色的連續性、濃淡、彩度所定義的色彩平面，在蒙西爾（Munsell）色彩系統空間中是平坦的，然而在 RGB 或 HSV 的空間卻呈現極度扭曲變形，在空間模擬器中能積極的發掘此二種空間的不同以及體驗非線性的角度變化（圖 2-14）。在博物館其他的展示中，使用者能在 3D 物件上作顏色的混合加減，相對於真實世界更簡易的操控與更多樣性的環境，目前的研究方向為色票因尺度產生的誤導性，以及互動技術的測試。. 21.

(27) 2-2-4 虛擬實境在建築之應用. 虛擬實境的科技在建築領域有相當重要的進展，虛擬實際空間模擬器提供一個可沈浸的虛擬環境，呈現模擬真實環境的視覺效果，透過三維的輸入裝置和相互作用的技術，讓使用者在能夠即時自由創造或者修改。應用在建築設計方面可於電腦虛擬的視覺環境中藉由操控虛擬物體作設計分析，並進一步將互動式感應分析的程式融入虛擬實境模擬器，讓虛擬的幾何形體或非幾何形體在各種載重的條件下產生不同的排列組合，更能夠結合各類操縱介面，在虛擬實境中作力回饋的產生（Paranandi and Sarawgi, 2002）。「虛擬實境」是透過外在模擬的互動科技使人相信置身於真實的環境中，在人類的感知系統中（視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及味覺），最常被虛擬實境系統所應用的是視覺，因為視覺對於人類具備最大與最直接的衝擊性。當使用者在虛擬實境中從事設計會產生不同的觀點與設計過程，增廣設計者的視野，想像力會更加豐富並刺激各種不同的設計思考，因此設計的品質因而提昇（Rheingold, 1991）。電腦科技的快速發展使建築設計過程產生革命性的改變，並廣泛地影響各類設計行為。現今的建築設計過程中使用者經常必須依賴鍵盤、滑鼠或者是其他的輸入裝置以建構電腦模型，同時搭配操作螢幕上的功能表與選單，並在一個二維的監視器或是更大的屏幕上，以平視或透視的角度觀其設計。Hill（1999）分析一旦電腦模型被完成即便輸出製作實體的大建築模型，如發現設計有錯誤，則修正電腦模型並且製作另一個大建築模型，這樣的重複過程必須付出相當大的成本。在建築結構工程的領域中，大部分的結構分析軟體缺乏良好的使用者圖形介面，非專業結構領域的一般使用者在學習過程中不易適應，而反觀具備高畫質圖形的軟體如 AutoCAD 和 3D Studio MAX，雖能創造高解析度的細緻影像但卻缺少計算建築結構的能力。為了改善電腦在建築結構上的分析應用，Setareh（2001）研究建築結構分析的視覺應用，藉著結合結構分析軟體與虛擬實境軟體，發展一套新軟體 VIRTUAL-SAP 並應用在合作式設計（圖 2-15），提供一個虛擬環境讓建築師、結構技師、與業主之間的相互溝通，並且彼此能夠觀察一連串設計變更的結果，進行互動式的電腦輔助建築結構分析，可應用於瞭解不同結構系統、結構材料、與構造行為，以及建築在不同氣候條件下如地震、強風的受影響程度。最近虛擬實境科技也應用在古代都市重建的研究（Liu and Tang, 2003），以數位媒材來整合歷史資料如社會體制、文化活動、以及都市生活，該研究將一千四百. 22.

(28) 年前的長安古城藉由數位化與視覺化的虛擬實境空間模擬器重新呈現其城市建築與生活。相對於過去的歷史研究，虛擬實境科技在重建過程中提供研究者更為精確地解決問題的方式，其研究目的在於為已消失的歷史城市與生活提出一個數位復建的程序（圖 2-16）。其研究過程分為五大步驟：資料蒐集與分析、3D 數位資料推論、3D 數位模型建構、整合 3D 數位模型資料與場景劇本、虛擬實境空間模擬器呈現。試圖將靜態圖像呈現，轉換成動態的呈現，製作人物模擬於空間行進的動畫。然而，傳統的模擬人物動畫製作的方式極為複雜而且困難，因此該研究更進一步利用動作擷取技術產生虛擬人物的肢體動作。另一類在建築上的應用則是利用虛擬實境來提供考古學家挖掘的資料，探討用回覆原貌的虛擬視覺環境讓考古學家有機會用新的方式、動態的方式來重新探索佩特拉的歷史遺址大神廟。將虛擬實境空間模擬器應用在考古研究，另一則是測試 ARCHAVE 系統軟體的使用後評估。結合考古基地與考古文物功能，在虛擬實境中可提供挖掘通道與考古文物的資訊，同時透過操作介面，讓使用者能更容易遊走與查詢資料，使用者亦可從各種型態的考古文物中查詢各種器類如陶器等的發現物（Acevedo et al., 2001）。 Acevedo 讓兩位考古學家使用虛擬實境空間模擬器的設備進行實驗，虛擬的環境中模擬出當初挖掘的通道以及幾個重要文物被發現的位置，兩位考古學家從資料庫中查詢所有的挖掘坑道中的考古發現物。受測的考古學家在虛擬的環境中以各種不同的向度作研究分析（圖 2-17）。先從二維的平面圖以及縮小的整體模型，以整體的概觀分析考古發現物的分布，再藉由一比一的虛擬實境的瀏覽從各個挖掘道分析考古發現物的垂直分布。考古文物在虛擬實境中分成各種圖層（layer），有將器物以類型作分類，亦有將器物以時期作分類，各類的考古文物可以透過虛擬實境的技術同時被呈現（圖 2-18）。考古專家在虛擬的環境中能定義出過去無法判斷的少數混合沉澱物的區域，某些混合沉澱物代表不同文化時期的物體，透過此研究實驗，他們推論出一些與當年實地探勘不同的觀察結果，而且考古專家認為用傳統的考古方法要做到相同的調查會是一個相當耗費時間與相當複雜度的過程。運用虛擬實境的技術研究挖掘的資料，確定既有的假設，並提出新的理論假設，這是過去尚未研發此系統時所無法發現的（Acevedo et al., 2001）。. 23.

(29) 第3章. VR cave 介入自由形體設計後的初步媒材分析. 本研究之研究目標為分析 VR cave 介入自由形體設計後的媒材重要性，為達成此一研究目標，本章將以配合案例分析的方式進行初步分析，首先必須先確立媒材分析架構的定義，其次透過案例資料中的既有素材（existing materials）與過程觀察（process observations）整理歸納出 VR cave 介入前的設計流程，接著以虛擬實境媒材介入推演初步的介入後自由形體設計流程，最後再以案例資料中的設計者訪談內容（interviews of the designers）作初步設計流程的階段性確認。. 3-1 自由形體設計流程的媒材分析架構 3-1-1 設計分析架構的早期研究. 建築設計經常是在非常緊縮的時程內完成，因此需要一個完整的建築計劃作為設計過程的基準，將設計過程中的資訊重新組織能輔助設計者減少思考上的衝突，避免計劃案超出預算、效率不足、或是必須重新設計的情況發生。William Pena （1987）於所著 Problem Seeking 一書中提出，一個完整正確的建築計劃書應該包含以下五步驟：目標、事實、概念、需求、以及問題的陳述，其中問題的陳述是發現問題過程中的最後一步，而發現問題是最重要的。此五步驟的流程要能成功的執行，必須很謹慎的研究與思考問題。問題的定義雖然包含很廣的範圍，但必須被定義在：機能、造型、經濟、與時間等四大領域。換句話說，是要有系統的在機能、造型、經濟、時間四大項目中，分析各自的目標、事實、概念、需求、問題陳述五大步驟（表 3-1）。表 3-1 建築計劃過程之分析架構（after Pena, 1987）. Function Form Economy Time. 1. 2. 3. ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○. 24. 4. 5 ●. ○. ●. ○. ●. ○. ●. ○. ●.

(30) 3-1-2 設計流程的分析架構. 在 Pena 所提出的分析架構中的橫軸主要是指前述的五大步驟，詳細的描述為 1. 建立目標、2.整理分析事實、3.發想與測試概念、4.確立需求、5.陳述問題，此五大步驟為探索問題（problem seeking）的流程，彼此之間具有先後順序的相對關係，因此我們可以將此時間性質的橫軸延伸修正為設計的流程（design process）。 Pena 在此著作中也發表對於設計流程的定義研究，將整個建築案的流程（total project delivery system）依序切分為 1.建築計劃、2.概念設計、3.設計發展、4.細部設計、5.招標階段、6.建造階段，其中又將建築計劃、概念設計、設計發展等三個時期合併定義為設計過程（total design process）。另外 Liu（1996）則又提出建築設計的過程講求的是建立一套有秩序的大架構，在此架構下考量合理機能、創造性美感、具備深度的建築含意，建築設計過程可區分為六個主要的階段：1.建築計劃、2.概要設計、3.設計發展、4.細部設計與施工圖、5.建造施工、6.使用後評估等。本研究探討主題為媒材對設計的影響，因此將研究設計流程的定義限制在與設計媒材有相關的時期，在此研究限制下綜合 Pena 與 Liu 的分析，設計流程被重新定義為 1.概念設計、2.設計發展、3.細部設計、4.建造過程。將 Pena 提出的架構當中為時間性質的橫軸轉換為設計的流程，並基於本研究對設計流程的定義限制，將設計流程的分析架構重新整理如下表（表 3-2）：表 3-2 本研究限制定義下的設計流程分析架構. 概念設計設計發展細部設計建造過程 Function Form Economy Time. ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○ 25. ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○.

(31) 3-1-3 設計流程的媒材分析架構. 本研究所探討的設計流程，以設計媒材對設計過程的影響作為分析的主要目標，其中設計媒材除了包含傳統的素描、影像、2D 圖面、3D 實體模型之外，亦包含 3D 數位模型、動畫，最後針對本研究的研究問題，再加入最新的設計媒材虛擬實境進行更深入的討論。在上述之分析架構圖中，除右半部以設計媒材為主要研究內容之外，左半部亦是本研究所討論的設計流程議題，惟對於設計流程其所定義的範疇為針對都市計劃案之用途。因此若將該分析架構圖之左半部視為本研究的設計流程的媒材分析架構之橫軸，包含設計概念、設計發展、細部設計、與建造過程；接著再以設計媒材作為縱軸，包含素描、影像、2D 圖面、3D 實體模型、3D 數位模型、動畫、與虛擬實境，便獲得一個初步的分析架構如下表（表 3-3）：表 3-3 設計流程的媒材分析架構. 概念設計設計發展細部設計建造過程素描影像 2D 圖面 3D 實體模型 3D 數位模型動畫虛擬實境. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○. 3-1-4 自由形體設計流程的媒材分析架構. 本研究所探討的設計流程，除了以設計媒材為分析的主要目標外，另一個重點是對於設計流程的研究著重在自由形體的範疇內。許多相關自由形體的新研究指出，傳統的設計媒材已經無法完成自由形體的構件生產與模擬組裝，設計者開始嘗試新的媒材如 CNC、3D Scanner、Rapid Prototyping、Laser Cutter、真空成型（Vacuum Forming）以解決問題，構件的生產與模擬組裝讓複雜的結構關係得以. 26.

(32) 建造，此類原本應用在汽車、航太工業的設計媒材可以統稱為 CAD/CAM（Lim and Liu, 2005; Kolarevic, 2003; Cache, 2002; Simondetti, 2002）。本研究目的為探討各類媒材在自由形體設計過程所扮演的角色，特別著重如何運用虛擬實境媒材，其中各類媒材除了傳統媒材、數位媒材之外，還包含研究目標的虛擬實境媒材，再增加前述之 CAD/CAM 新媒材使得媒材種類十分複雜。傳統設計在建造過程所運用的設計媒材經常十分單純、或是沒有運用到任何媒材，然而自由形體設計目前仍是極新的研究議題，包含 CAD/CAM 新媒材的各種運用以及建造工法，許多新的研究正在探討重新定義自由形體的設計流程（Lee, 2005; Lim and Liu, 2005; Kolarevic, 2003）。所以面對本研究複雜的媒材種類，自由形體的建造過程需要運用到哪些設計媒材以及如何運用，可以是一個完整的研究問題，因而本研究將其列為後續研究。綜合以上分析，前述之設計流程的媒材分析架構仍須再作一些修正，包含在原本縱向的設計媒材增加 CAD/CAM，橫向設計流程中的建造過程階段列為後續研究，最後確立本研究要探討的自由形體設計流程之媒材分析架構（表 3-4）：表 3-4 自由形體設計流程的媒材分析架構. 概念設計設計發展細部設計建造過程素描影像 2D 圖面 3D 實體模型 3D 數位模型動畫虛擬實境 CAD/CAM. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 27. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○.

(33) 3-2 案例分析：VR cave 介入自由形體設計前的媒材分析本節透過案例分析的方式探討虛擬實境介入前的設計流程，分析之案例為深圳兆曜電子廠房接待大廳自由形體設計案，以案例資料中的既有素材與過程觀察歸納出介入前的設計流程，每一小節中依設計媒材使用的順序作為討論先後之依據。 3-2-1 概念設計階段. 在本案的概念設計階段，設計者所使用的設計媒材除了包含傳統慣用的素描與影像，同時也包含 3D 數位模型。設計者首先以素描與影像媒材將設計概念作呈現表達，接著再將設計概念以 3D 數位模型的進行模擬，以獲取更多設計方案的可能性，操作與修改設計概念。因而素描、影像、以及 3D 數位模型皆是此階段重要的設計媒材。 3-2-1-1 2D 圖面. 如同傳統的設計流程，在腦力激盪概念發想之前須先進行最初始的基地分析，同時作為設計概念重要的依據之一。而研究案例的原始 2D 平面圖即為基地分析最主要之設計媒材（圖 3-2）。 3-2-1-2 影像. 進行基地分析所運用到的設計媒材除 2D 圖面以外，另一項則為 2D 影像，其中大部分為基地現場與周邊環境的現況照片。在本案例中影像媒材除了運用在基地分析之外，更進一步也成為發展設計概念的基礎，設計者透過影像處理的方式，擷取基地背後的山稜線（圖 3-3），作為自由形體曲線的參考線之一。由於本案為電子廠房之大廳設計，且該電子廠房主要為生產電腦相關之各類線材，因此設計者以「電子」與「電腦線材」作為設計概念之發源，並以電線與電線所產生之電磁波的圖片為基礎，以影像的處理方式，試圖表達「電子」與「電腦線材」的科技與美感（圖 3-4）。 3-2-1-3 素描. 素描是傳統運用在概念設計階段最普遍而直接的設計媒材，本案在確立前述的初步設計概念之後，隨即發展出二套設計方案，其中有方案 A 除了透過影像處理來發展設計概念之外，素描也是該方案重要的設計媒材之一。設計者透過鉛筆素. 28.