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VR CAVE中具有存在感的空間介面

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Academic year: 2021

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國立交通大學建築研究所

碩士論文

VR CAVE 中具有存在感的空間介面

Spatial interface in VR CAVE : A sense of presence

研 究 生

林慶倩

指導教授

劉育東

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VR CAVE 中具有存在感的空間介面

Spatial interface in VR CAVE : A sense of presence

研 究 生

林慶倩

Student Ching-Chien

Lin

指導教授

劉育東

Advisor Yu-Tung

Liu

國 立 交 通 大 學

建 築 研 究 所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Graduate Institute of Architecture

College of Humanities and Social Sciences

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master

in

Architecture

July 2006

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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中文摘要

本研究的主要目的是在 VR-CAVE 中,發展出一個具有存在感的空間介面雛形,進一步延伸讓使用 者利用身體的直覺動作來瀏覽環境,透過此感知介面得到更多的存在感及回饋。目前 VR-CAVE 在 建築空間的表現上多為設計的呈現,只能被動的接收視覺刺激缺少了互動的成份,使用者無法像在 一般空間中一樣自由的走動及感受。因此,在 VR-CAVE 系統中缺少了一個可以互動的使用者介面, 若能利用人的直覺動作來瀏覽虛擬環境,將會增加使用者的存在感。 因此,在研究中使用了人的直覺性動作來作為瀏覽空間的主要互動介面。本研究有二個步驟:第一 步驟為空間介面的建置,在建置前先探討人體在實體空間中的一些直覺性動作,以人類步行的方式 為基礎,實作一個感壓式踏墊。第二步驟為認知實驗與評估此空間介面及修正建置,以城市導覽為 例,受測者使用三種不同的輸入裝置:3D 反光球、感壓式踏墊及數字方向鍵來做認知行為的比較, 再以受測者主觀報告使用後的感受及填寫問卷和訪談來了解。 此研究發展出一個具有存在感的空間介面雛形,基於問卷的結果:使用身體的直覺性動作來與虛擬 環境互動,確實能增加使用者的存在感。本研究的貢獻為藉由一個直覺式的空間互動介面來增加使 用者的存在感,除了視覺之外更多了身體的感知來體驗,增進虛擬實境的功能。此城市導覽有別於 傳統建築模型觀看的限制,更可以利用虛擬實境來了解建築物在使用後外觀及設備衰退的狀況,清 楚的了解空間之間的關聯性及得到更多的回饋。 關鍵字:虛擬實境、存在感、互動

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Abstract

The purpose of this research is to develop a preliminary prototype of spatial interface which has more sense of presence in VR-CAVE. Make the user to using the bodily intuitive movements to navigate the virtual environment. With a percept interface, that can let the user experience more sense of presence in virtual environment. Currently, the performance of architectural space in VR-CAVE was almost created by designers. It only provide the passive receive vision stimulus can’t provide sufficient interaction between users and VR-CAVE. The observers are not able to move freely or sense their body with intuition in that virtual space, just like what they can do in the physics space. Hence, there is a lack of user interface for interaction in the VR-CAVE system. We wonder if we utilize the intuitive motion of human beings to navigate the virtual environment, can we make the viewers experience stronger sense of presence.

In this research, the intuitive motion of human beings was applied as the major interface for the interaction with navigating space. This research will be divided into two steps. First, build up an spatial interface. Through this case study, it’s reported that the intuitive movements of human beings in virtual environment must be like their experience in real world using the body movements to navigate the environment. Therefore, design an operation interface in CAVE environment with intuitive motions of human being. Based on the result of step one, we create a floor sensor in the four major direction. Second, evaluate the feedback of interactions between the intuitive motions and virtual environment with the result of user questionnaire. In this paper, we use a virtual city navigation as an example. Then the subjects used the three kinds of interactive interface to navigate the space. The subjects used an infrared 3D tracker, a floor sensor and a number keyboard to compare of the cognition actions. Then they filled the survey and were scored with rating scale model.

This research developed a preliminary prototype of spatial interface which has more sense of presence in VR-CAVE. Based on the result of questionnaires, the interactive interface improved by intuitive body movements exactly can enhance the sense of presence of users. The contribution of this research was tried to link the experience of human intuitive motions directly with virtual environment via an intuitive interface. This will evidently increases the users’ sense of presence and creates a totally different navigating experience. We provide intuitive stimulation and feedback from perception of human body other than vision. Unlike the traditional model, which is limited by visibility, we present the digital model with three different scales so the users may clearly understand the structure of the space.

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謝誌

本篇論文可以順利的完成,首先感謝指導教授劉育東老師,於兩 年的研究生生涯中,給予個人及課業上的指導。感謝候君昊老師 在課程上提供新的學習內容及給予的鼓勵。於論文審查與口試期 間,承蒙候君昊老師、唐玄輝老師與吳匡時老師不吝撥冗閱讀, 給予寶貴的建議與指導,使本論文得以修訂的更完整,於此致上 衷心的感謝。 在研究的過程中,感謝曾給予幫助的學長姐和同學以及受測者的 參與。最後感謝我的父母及家人給予的支持及鼓勵,在此致上最 深摯的謝意。

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目錄

第一章 緒論

1 1.1 研究背景 1 1.2 研究問題與目的 1 1.3 研究方法與步驟 3

第二章 媒材回顧

5 2.1 虛擬環境與空間的關係 5 2.2 虛擬環境中的感官要素 6 2.3 虛擬環境中的存在感及其效度 7 2.4 存在感與互動的關聯 11 2.5 虛擬環境中的空間介面 13

第三章 空間介面的建置

16 3.1 人類行走動作的回顧 16 3.2 虛擬空間的建置 19 3.3 操控介面的設計 29 3.4 環境之基礎架構 33

第四章 認知實驗與介面評估修正

42 4.1 實驗計劃 42 4.2 實驗流程 43 4.3 實驗之訪談結果 45 4.4 實驗之問卷結果 47 4.5 實驗結果之分析討論 51 4.6 修正建置 56 4.7 修正後自我評估 58

第五章 結論與後續研究

59 5.1 結論 59 5.2 研究限制 60 5.3 研究貢獻 60 5.4 未來研究 61

參考文獻

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第一章 緒論

1.1 研究背景

虛擬環境是一種經由人的視覺所感知到的三度空間環境,影像的呈現由 2D 圖像轉化到 3D 的立 體圖像,它提供了互動性、沉浸性與多重感官的呈現,利用其所具有的特點、構成的要素以及 與使用者間的互動行為,提供觀賞者真實的沉浸感和擬真的感受。Steuer(1992)將虛擬實境定義 為:涉及到人在一個環境中的感官,逼真度(vividness)及互動性(interactivity) 為產生遠距臨場感 (telepresence)的重要因素,使用者產生臨場感的主要來源為身體和認知活動與虛擬環境的互動。 Witmer(1998)指出,使用者在虛擬環境中的感受,常常是連結到其存在感,存在感為一個人在一 個地方或環境中的主觀經驗。存在感為虛擬實境的一個主要元素,也可以看作是定義虛擬實境 的一部份(Steuer, 1992)。

Schubert, Friedmann & Regenbrecht (1999)更具體的分析存在的三個主要構成要素為:空間的存在 (spatial presence)、涉入(involvement)、判斷(judgement),說明了空間中存在感大部份是由互動的 行為模式形成:使用者與虛擬環境互動後所產生的存在感,在顯現的過程中會包含了空間尺寸 的重新建構及在此空間中可能的行動。若使用者能直接的與虛擬環境互動則會得到較大沉浸 感,且感覺到是此環境中的一部份(Witmer and Singer, 1998)。藉此,使用者與環境互動引起更多 的共識和經驗的互換,但在虛擬環境中操作是困難的,使用者在此空間中無法接觸到真實的物 體,他們必須依賴真實世界中的經驗來適應和操作 (Mine, Brooks & Sequin, 1997)。因而,在虛 擬環境中的互動行為、技術逐一的被討論和研究。

1.2 研究問題與目的

在虛擬環境中使用者透過感官的知覺產生了立體的視覺效果,在建構此環境的認知過程中,使 用者若能感覺像是虛擬環境的一部份,應更能提升虛擬環境的效果。在虛擬環境中經由視覺及 聽覺的感官刺激要素和過程中認知的運用,都能引起產生「在那裡」的感覺。若在經驗中有更

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第一章 緒論

多的感官要素刺激和更多的認知發生,則會有更強烈存在的感受(Chan and Weng, 2005)。存在感 提供了使用者不同程度的沉浸感與感官經驗(Schubert and Friedmann, 1998)。而虛擬環境的效 果,也會回歸到使用者所感受到的存在感強不強烈(Witmer and Singer, 1998)。在虛擬環境的研究 領域中,存在感最常為人所探討(McKinnon and North, 2004)。存在感為個人的主觀經驗感受,使 用者能感受到身處於虛擬環境之中,且似乎是以直覺的方式傳達了存在的經驗,因此,存在感 為虛擬實境中的一個重要概念,為了得到較好的虛擬實境效果,必須提高使用者的存在感 (Schubert and Friedmann, 1998; Schuemie and Charles, 1999)。

在虛擬環境中視覺是最主要獲得資訊的方式,但仍有許多可能性來提高使用者的存在感,以達 到更好的效果。在虛擬環境中設計一個容易操作的互動是最能預測存在感的產生(Stanney, et al, 1997)。且此互動是利用身體與認知過程的相互影響,便會產生存在感 (Schubert and Friedmann, 1998)。當使用者自然地與虛擬環境進行互動,便能有沉浸和涉入在此環境中的效果,感覺自身 在一個模擬的環境中移動或是直接地與環境中的其它實體互動,將會增加使用者的存在感 (Witmer and Singer, 1998)。

目前投影式的 VR CAVE 有下列三種:第一種 VR CAVE(CAVE Automatic Virtual Environment), 1992 年為芝加哥伊利諾州大學所開發的投影式的虛擬實境系統,主要是由前方、地下、左方、 右方四片平面投影螢幕所搆成,將影像交錯的投射到牆面上,使用者配戴的主動式液晶遮栅型 立體眼鏡來接收影像。第二種為日本松下公司的 CyberDome 8500(Shibano et al, 2003),改以單槍 所組成的被動式 VRCAVE 系統,是一個以 19 台 PC 群所串成的一套系統,再由 18 台單槍投影 將畫面投射到半球形的螢幕上,因其投射螢幕為圓弧形,需即時將影像變形調整。第三種為工 研院(2002)所研發的被動式 VR CAVE,主要由三面平面的投影螢幕所構成,每面螢幕之間的夾 角為 120 度,而每面螢幕的影像再由負責左右眼的投影機以背投影的方式來投射,再透過立體 眼鏡來接收影像。 以上述三種 VR-CAVE 系統的應用來看,其在空間的表現上多為單一視覺的呈現,設計師利用 固定路徑的動畫來導覽所設計的空間,雖然也能讓觀賞者感受到立體視覺的效果,但只是被動 的接收視覺刺激卻缺少了互動的成份,觀賞者並無法像在一般空間中一樣可以自由的走動及感 受,像是抬頭、低頭或有身體直覺的感受,甚至碰到物體時也會有碰撞和直覺退後的反應。目 前有關虛擬環境的研究中,比較缺乏能讓觀賞者在空間中自由感受和走動的使用者介面。因此,

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第一章 緒論 本研究主要目的是在 VR-CAVE 中發展出一個具有存在感的空間介面雛形,讓使用者利用身體 的直覺動作來瀏覽環境,開發一個能與 VR CAVE 互動的介面,藉由此互動界面提供使用者直 覺式的刺激與回饋,提升使用者在虛擬環境中的存在感。

1.3 研究方法與步驟

在虛擬環境中若使用者能與虛擬的身體聯想在一起,經由行走的方法與虛擬環境互動將能夠增 加存在感(Slater, et al, 1995)。因此,在虛擬環境中增加了互動的空間介面,讓使用者能自然地與 虛擬環境進行互動,更可藉由此輸入介面進而產生沉浸和涉入的效果 (Stanney, et al, 1997)。本 研究分為二個步驟,第一步驟為空間介面的建置,第二步驟為認知實驗與介面評估修正,主要 是透過一個實驗的操作經由分析及討論後藉以評估與修正建置。

1.3.1 空間介面的建置

在空間介面的建置中分為四個部份:A 人類行走動作的回顧,B 虛擬空間的建置,C 操控介面 的設計,D環境之基礎架構。 A. 人類行走動作的回顧 為了能更深入建置一個具有存在感的空間介面,在建置前必須先探討人體在虛擬空間中的一些 直覺性動作,本研究以人類步行的方式為基礎分析行走時的動作,再以其所得的四個正面取向 「左-右」、「前-後」及「位於中心」做為建置介面的基礎,首先對人類行走的動作進行回顧。 B. 虛擬空間的建置 本研究以城市導覽空間為例,在 3D 軟體中建置一個虛擬空間,藉以觀看建築物與周圍空間的關 係。首先,先對數位模型製作時所需要注意的事項加以說明,再經由 3D 呈像流程中知道電腦的 運算過程,進一步的分析建置數位模型的原則,包含了模型建置、貼圖、燈光及攝影機架設需 注意的部份。

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第一章 緒論 C. 操控介面的設計 於操控介面的設計上先了解 3D 使用者介面的設計原則,以人類行走的動作為基礎實作一感壓式 踏墊(floor sensor),建置一個具有直覺性動作的空間介面,主要分為四個方向性-向前、向後、 向左及向右,利用腳部的直覺動作來控制此環境。 D. 環境之基礎架構 研究中所使用的硬體設備為工研院所研發的被動式 VR CAVE,在軟體上以 Director 8.5 及其網 路伺服軟體 Shockwave Multiuser Server (Multiuser)做為主要開發工具,將此空間介面與 3D 的場 景設置在 VR CAVE 中,經由 Multiuser 來連結六台 client 端電腦後,便可與使用者產生即時的 互動。

1.3.2 認知實驗與介面評估修正

為了要了解在 VR CAVE 中利用人的直覺性動作與虛擬環境互動是否會增加使用者的存在感,本 研究步驟是以一個認知實驗來驗證當作修正的準則,透過一個實驗的操作經由分析及討論後藉 以修正建置。在研究中透過 20 位受測者使用三種不同的輸入裝置來與虛擬環境互動,由不同的 輸入裝置來瀏覽虛擬環境,藉以了解利用感壓式踏墊的操作是否能提升存在感,之後利用問卷 和進行訪談來了解使用者所體驗的存在感和其主觀的經驗感受,其測量的方法採用評分等級法 (rating scale) (Stanney, et al, 1997)。基於實驗的結果得知感壓式踏墊對於受測者而言的確是較具 有存在感的空間介面,另外,也以使用者的建議及實驗的評估為基礎來修正此建置。

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第二章 媒材回顧

近年來數位媒材於呈現的發展上越來越著重於互動與沉浸的品質(Roussou, 2001),而虛擬實境不 同於其他媒材之處,便在於能夠讓人於觀賞與經歷上擁有更多的主導能力,無論虛擬實境呈現 之內容是如何被傳遞或接收,使用者扮演了一個重要的角色(Carroll et al., 2004)。而在虛擬環境 中若要得到較好的效果就必須減少使用者與虛擬實境間的互動間隙(gap)。因此,在本章節中, 主要回顧了虛擬環境與空間的關係及其感官要素、存在感及其效度、存在感與互動的關聯性和 虛擬環境中的空間介面。

2.1 虛擬環境與空間的關係

對於「空間」一詞,在各領域均有不同的解釋。在去的研究中,許多合作式和溝通的環境利用 空間和空間的組織概念來促進及建構出互動,因為許多方面的行為是經由環繞著實體空間中的 空間元素所組織的,然後把這些行為模式轉入虛擬環境中來設計它,為了活動和互動提供相同 的空間元素。對於一個場所的感受是來自於對文化或共同的了解,且經由適當的行為和互動模 式來組織空間中的特點。在實體空間中,虛擬空間必須包含一些必要的特質來製造一個場所, 所有對於空間的定義均是強調空間的心理屬性,其根基於人類的社會活動和文化概念,一個場 所是一個經由社會互動的空間活動,以文化為基礎且對於適當行為的了解,其著重於空間和場 所之間(Harrison and Dourish, 1996)。

由於虛擬技術的出現,為人類增加許多的想像空間,虛擬實境能提供立體的影像讓觀賞者感受 到立體的空間,虛擬環境所呈現的空間需要具備能讓參與者進入想像空間且以互動為基礎的環 境。而空間是虛擬環境中一個不可或缺的組成部份,在虛擬環境中的存在感和真實經驗並不只 是一個經由空間設置而被環繞的結果,它應該還要能像處於另一個空間般,一個空間是個別的、 獨特的、動態的和留在記憶中的,它與其他的空間、人們及事件有關(Champion and Dave, 2002)。 因此,當人在看書或是電影時,若已能認同書中或電影中的角色時,個人便會傾向將自身放置 在角色所處的地方,在此場景中經歷角色所經歷到的,夢境也是另一個例子(Witmer and Singer,

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第二章 媒材回顧 1998)。場所感的產生為供給、刺激後所製造某種狀態的過程,為個人對於場所感受的顯現。當 具有適當的空間環境時,即能感覺到經由安排或接近實體後和此空間來製造一個環境的過程, 且能夠支持參與者想要的活動,表達了參與者的社會和文化的概念。場所感的產生便是在空間、 活動和概念三者交集之下所形成的某種知覺過程。適當的安排空間和實體環境能夠支持個人對 於一個空間感受的產生,然而不適當的空間及實體環境卻會妨礙了它。除了在實體空間外,場 所感在虛擬環境中也是影響存在感的一個重要特質(Kalay and Marx, 2003)。心理再現的結構需要 由真實世界中的空間經驗來轉化的,藉此使用者與環境互動引起更多的共識和經驗的互換,但 在虛擬環境中的操作是困難的,使用者在此空間中無法接觸到真實的物體,他們必須依賴真實 世界中的經驗來適應和操作(Mine, Brooks and Sequin, 1997)。

2.2 虛擬環境中的感官要素

Witmer and Singer(1998)提出在虛擬環境中感知的要素:1.知覺的形式、2.環境因素、3.多形式的 呈現、4.多形式資料的整合、5.活動感知的程度、6.活動的搜尋。我們大部份的資訊是來自於典 型的視覺方式,視覺的資訊會增加存在感,因此,在環境中若傳遞了較大程度的感知資訊給使 用者,其中包含了大量的資訊來模擬這場景與多形式的呈現,均會產生較大的存在感經驗。例 如:增加一些正常的行動,像是動態的移動和本體感受的回饋,應該會增加存在感。若所傳遞 的訊息與真實世界的描述相同,例如:在虛擬環境中使用者能感受到自身的移動,也能經由改 變其視角來改變他所看到的,或是改變頭的位置來影響所聽到的,將會增加存在感(Witmer and Singer, 1998)。 在虛擬環境中經由視覺及聽覺的感官刺激要素和過程中認知機制的運用,都能引起產生"在那裡 "的感覺。若在經驗中有更多的感官要素刺激和更多的認知發生,則會有更強烈的存在感受(Chan and Weng, 2005)。因此,存在感則提供了使用者不同程度的沉浸感與感官經驗(Schubert and Friedmann, 1998)。存在並不是一個簡單的狀況,它是一種多方面的概念,關於個人如何涉入在 一個處境和環境之中,而這些涉入為不可或缺的組成要素,像是在虛擬環境中所產生的遠距臨 場感(telepresence)便是其中之一。另外,一個強的感官刺激影響了沉浸的感受,而其它的要素也 同樣的重要(Chan and Weng, 2005)。其要素包含了:在環境中使用了知覺刺激的組合、參與者能

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第二章 媒材回顧 與環境互動的方式、個人體驗環境的特性。因此,存在感是對環境的自然感知,而遠距臨場感 為傳達在一個環境的存在經驗。使用者產生臨場感的主要來源為身體和認知活動與虛擬環境的 互動。虛擬實境是一種特殊型態的空間經驗,其中包含了存在感,而存在感的浮現是當參與者 在虛擬環境中能依照心裡所想的移動(Steuer, 1992)。

2.3 虛擬環境中的存在感及其效度

虛擬環境的效果常是以使用者經歷後所回報的存在感(sense of presence)多寡來看。關於虛擬環境 中存在感的研究包含了:1 如何定義存在感,2 如何測量存在感,3 什麼是影響存在感的要素,4 存在感與展示內容之關係是什麼,5 虛擬實境是否應該被設計為具有強烈的存在感?因此,若要 得到較好的虛擬環境效果,則必須提高使用者在虛擬環境裡的存在感(Stanney, et al, 1997)。以下 就存在感的研究進一步說明:

2.3.1 虛擬環境中存在感的定義

Steuer(1992)將虛擬實境定義為:它是基於存在感和遠距臨場感(telepresence)的概念,存在感使 人感覺是在一個環境裡,是由自然和間接的方法分別所產生的,但實際上卻身在另外一個環境 中。存在感被認為是一個人在實體環境中的經驗,並不是因為被他所存在的環境所圍繞,而是 感受這個環境所傳達到個人心理的過程。例如:電動遊戲的玩家描述他在銀幕上駕駛一輛動態 車子的經驗時,雖然他並沒有真正的駕駛,但存在的感覺卻會浮現出來,因此,存在感可以說 是虛擬實境的一個主要元素,也可以看作是定義虛擬實境的一部份 (Steuer, 1992)。而虛擬環境 像是訊息的結合,它發生在由電腦系統所綜合的一個空間中和在使用者的記憶中,且指出存在 感是使用者所建構的一個心理模型使其自身更感覺到在身處於虛擬環境之中(Regenbrecht and Schubert, 1997)。 虛擬環境透過新媒材的呈現,在此空間中能夠產生存在的感覺為其主要的目的,依照 ISPR (International Sociality for Presence Research )對存在的定義:存在是一種心理的狀態或主觀的感 知能力(subjective perception),經由個人目前部份或全部的經驗或透過電腦的技術所產生的情境

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第二章 媒材回顧

和經驗,而這種感知的幻覺是一種能使個人直覺所相信的,在過程中部份或完全忘記媒介的存 在而誤以為真(http://lombardresearch.temple.edu/ispr/ )。對於虛擬環境來說,存在感是指一個人體 驗其自身處在電腦所產生出來的虛擬環境而勝過自己身體實際所處的場地,為使用者在一個地 方或環境中的主觀經驗,既使當時其身在另一個地方 (Stanney, et al, 1997)。Witmer and Singe(1998)也提到:存在感為個人在一個地方或環境中的主觀的經驗,甚至是實際上身處於另 一處。存在是一種正常的察覺現象,需要直接的注意力且基於知覺刺激與環境因素之間的互動, 幫助使用者涉入和沉浸其中。存在感為虛擬實境中的一個重要概念,為一種主觀的經驗感受, 使用者能感受到身處於虛擬環境之中,且似乎是以直覺的方式傳達了存在的經驗(Schubert and Friedmann, 1998; Schuemie and Charles, 1999)。

存在感為建構一個環境的認知過程,透過這樣的建構使用者便能體驗到存在感,感覺像是虛擬 環境中的一部份。若使用者在虛擬環境中感受到存在感,便能讓使用者與真實世界分離,引出 使用者真實的情感 (Regenbrecht and Schubert, 1997)。存在感為一種複雜和多面的,依其所接近 的特質可以分為二種:1.在兩個概念之間的區分:存在和沉浸(immersion)。2.在內部概念的區分: 空間結構和注意到存在經驗的組成,而空間結構的組成為沉浸,注意到存在經驗的組成為「涉 入 」, 內 在 經 驗 所 指 的 為 存 在 的 現 象 和 發 現 不 同 的 型 式 或 組 成 (Schubert, Friedmann and Regenbrecht, 1999)。存在感一方面是由沉浸感和虛擬環境中的內容而來的,另一方面為刺激的 呈現和心理經驗之間的描述(Schubert and Friedmann, 1998)。透過這樣的建構使用者便能體驗到 存在感,感覺像是虛擬環境中的一部份,使用者描述他是在「那裏」透過實際的刺激能在行為 和情感上產生效果(Regenbrecht and Schubert, 1997)。

2.3.2 測量虛擬環境中使用者存在感的效度

存在的感覺是虛擬實境中一個重要的元素,因此,虛擬環境的有效程度可以利用存在感的問卷 和沉浸感的問卷來測量個人在虛擬環境中的存在感(Witmer and Singer, 1998)。存在的現象在虛擬 環境中是一種心理學研究,其主要的目的是為了幫助虛擬實境在硬體和軟體上的設計,進一步 改善虛擬環境的應用,因此,需要了解存在是什麼、如何才能讓它形成、如何能測量它。而存 在感是一種心理學的測量,測量什麼比較真實及什麼比較不真實(Schubert and Friedmann, 1998)。

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第二章 媒材回顧 存在感的測量在虛擬環境中是重要的,它能夠決定對使用者而言此系統是不是有效果,且多少 比率的使用者會受到影響。存在感的測量應該要能被重複和容易察覺的連結到虛擬環境中其可 被測量的特徵。需要了解存在感或許只是對於情況的了解或情感而已,且只能量測出有多少的 程度或並未達到。一般在虛擬環境中的測量存在感的方法有二種:主觀的報告和客觀的測量。 主觀的測量是由使用者事後主觀的報告,它是一種配對比較的方法,使用者在兩個虛擬環境中 那一個對使用者有較強的存在感。另一個為客觀的測量依照使用者所回報的經驗,測量使用者 其聽覺、視覺和自體感官系統生理上的適應程度,有系統的測量方法和利用技術或是適當的方 法來測量虛擬環境的效果將會更容易的觀察到結果(Stanney, et al, 1997)。 Insko(2003)提出三種方法來評估存在感:主觀的測量、行為的測量和生理的測量。主觀的測量: 主要依賴受測者敘述存在的感覺,之後再利用問卷的方式回答問題,依照受測者主觀認定的沉 浸或投入的程度來選擇。行為的測量:為受測者在過程中對於虛擬實境內容的物體或事件所表 現的反應,作為客觀的標準,例一個虛擬的物體丟向使用者的頭,他會閃躲、伸手等動作。生 理的測量:藉由直接測量受測者的生理反應,如測量心跳、體溫、呼吸,以避免主觀的偏見。

2.3.3 影響存在感的要素

在虛擬環境中存在感為重要的,而在過去的研究中均有指出什麼樣的因素會影響存在感,為了 進一步的了解存在感,對於影響存在感的要素做一綜合整理,可分為以下六點: 1.個人主觀的經驗感受 使用者在虛擬環境中的有效程度常常是連結到在此環境中的存在感,存在感為一個人在一個地 方或環境中的主觀經驗。存在感指的是在一個虛擬環境中的感覺,且在一個認知的架框中被分 析(Witmer and Singer, 1998)。存在感的三個主要構成要素為:空間的存在(spatial presence)、涉入 (involvement)、真實的判斷(judgement of realness),經由分析顯示在空間中存在感大部份的是由 固定的行為模式形成的:與虛擬環境的互動、對動態的了解、動態意思的感知(Schubert and Friedmann, 1998)。因此,存在感更可以說是個人在空間中主觀的經驗感受,若提供了更多的感 覺輸入,則感受到更多的存在感(Chan and Weng, 2005)。

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第二章 媒材回顧

2.涉入與沉浸

在虛擬環境中所有的應用都企圖去產生更大的存在感,因為存在的經驗能使結果或是模擬的應 用更加的自然、沉浸、直接和更真實,不但更有效果而且是有樂趣的 (Nunez and Blake, 2001)。 影響存在感的兩個重要因素為:涉入(involvement)及沉浸(immersion),兩者對於存在的經驗都是 必要的,但兩者中若有其中之一便能讓使用者感受到存在感。涉入指的是一種心理學的體驗狀 態,當一個人的精神專注把注意力放在一連續的刺激上或有意義的活動與事件上,因此,當使 用者把注意力集中在虛擬環境的刺激時,便能更加的涉入在虛擬環境的體驗增加存在感(Stanney, et al, 1997)。沉浸是一種心理狀態經由個人感知被圍繞、包含其中和與環境互動,其持續地提供 了刺激和體驗。影響沉浸的因素包括了由實體空間的隔離、感知個人身處其中的虛擬環境、互 動與控制,經由自然的方式和自身行動的感知(Witmer and Singer, 1998)。

3.注意力

人類在實體空間中經歷了很多不同程度的存在感,虛擬實境便是一種典型的「注意力」分離, 在實體世界和記憶的心理世界,當使用者集中更多的注意力在虛擬環境的刺激上,會變得更涉 入在虛擬環境的經驗中,也會增加存在感。涉入的多少將取決於使用者受到多少的活動和事件 的吸引且能持續的讓人注意(Witmer and Singer, 1998)。如何讓使用者把注意力集中在虛擬實境 上,大部份還是藉由使用者能融入虛擬環境的程度和體驗到多少的存在感來看。而選擇性的注 意力是一種天性,會把注意力集中在有意義及特別有趣的資訊上,體驗存在感需要把注意力集 中在有意義且連續的刺激物上,連續性的刺激便能讓使用者很容易的將注意力集中(Stanney, et al, 1997)。在虛擬環境中的存在感是依靠注意力由實體環境改變到虛擬環境,但並不是完全的取代 現實環境裡的注意力,若增加注意的分配將會有更高的存在感。另外,該如何明確的讓使用者 把注意力集中在虛擬實境上,絕大部份還是藉由他們能涉入虛擬實境有多深,以及有多少主觀 的存在感能被體驗與回報(Witmer and Singer, 1998)。

4.身體動作

存在為一種具體化的認知,存在感的形成是由心理的呈現而來,當使用者的身體動作跟虛擬環 境中的動作可能一樣時,則會感受到存在感(Schubert, Friedmann and Regenbrecht, 1999)。存在為 一種被體現的認知,在虛擬環境中若身體的動作為可能時,存在感的形成在於身體動作時心理 所呈現的感覺,在虛擬環境中移動身體或肢體時,存在的感覺將會被增大(Mine, Brooks and Sequin, 1997)。使用者與虛擬環境的互動時,利用身體互動且與認知過程的相互影響,便會產生

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第二章 媒材回顧 存在感。在使用者心中顯現的過程中包含了空間尺寸的重新建構及在此空間中可能的行動,若 能利用身體或身體的一部份當作輸入裝置來與虛擬實境互動,則能得到更多的存在感(Schubert and Friedmann, 1998)。 5.場景內容的呈現 研究存在感的概念需要三個部份:傳達的技術、內容及參加者的反應。在虛擬環境中若提供不 同場景的呈現,則存在的感覺會受到場景內容的呈現、個人的特質及個人對於此場景了解和經 驗的影響 (Chan and Weng, 2005)。戲劇性內容的呈現對於空間中的存在感是有高影響力的,因 此,有意義空間的感知提供了存在感的經驗(Schubert and Friedmann, 1998)。而影響逼真度的為 知覺的廣度及深度,逼真度與技術的能力有關聯,由此來產生一個知覺豐富的環境 (Steuer, 1992)。

6.控制

在虛擬環境中影響存在感的控制因素包含了:容易操作的互動、使用者的控制、生動的呈現、 使用時間的長度、社會因素、系統因素,且即時的互動最能引發存在感的產生(Stanney, et al, 1997)。另外,Witmer and Singer (1998)也提出了虛擬環境中控制的要素:控制的程度、立即的 控制、預期的事物、控制的形式、物理環境的可變性(Physical environmental modifiability),若使 用者在虛擬實境中有越多的控制行為便會體驗到更多的存在感。

2.4 存在感與互動的關聯

2.4.1 逼真度與互動性

為了要得到較好的虛擬實境效果,必須提高使用者的存在感(Schubert and Friedmann, 1998)。在 虛擬環境中逼真度(vividness)及互動性(interactivity) 為產生遠距臨場感(telepresence)的重要影響 因素,此涉及到人在一個環境中所接收到的感官刺激(Steuer, 1992)。存在感是可以察覺到的,當 使用者與虛擬環境互動時,像看到能抓取的虛擬物件或對虛擬的峭壁產生恐懼時,便會感覺到 自己是真的處在虛擬的環境裡(Schubert and Friedmann, 1998)。互動性則與程度有關,使用者能

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第二章 媒材回顧 即時的影響此環境的形式或內容,影響互動的三個要素為:速度(speed)、範圍(range)、配對 (mapping)。速度與使用者所輸入的訊息能被此環境所接受的比率有關,範圍與可能的活動數量 有關,配對則以自然和可預測的方式來控制使用者在環境中的變與系統的能力有關 (Steuer, 1992)。

2.4.2 沉浸與互動性

很多的研究者也認為存在感和互動之間是有關聯的,認為在虛擬環境中存在是必要的要素。在 一個互動系統中,使用者的操作能即時的透過媒材來呈現或經驗的形式或內容,互動媒材的五 個要點為:媒介對於使用者輸入的接受和反應的程度、透過媒材的呈現或經驗的特質其能夠被 使用者所改變的程度、每一個特質可被改變的程度、使用者的輸入類型與媒介反應的類型為相 當的程度、媒介反應使者輸入的程度(Schuemie and Charles, 1999)。如何在虛擬環境中操作得自 然和它的互動方式有多接近所模擬的操作經驗,均會影響有多少存在感的反應。因此,涉入和 沉浸為必要的存在經驗,且互動的程度決定了反應多少的存在感(Chan and Weng, 2005)。而沉浸 為一種心理狀態,使用者感知到自己被環繞、包圍在環境之中,並與此提供刺激和經驗的環境 發生互動(Stanney, et al, 1997)。當使用者自然地與虛擬環境進行互動,經由虛擬環境的刺激便能 有沉浸和涉入的效果,會更加的沉浸在此環境中,感覺自身在一個模擬的環境中移動或是直接 地與環境中其它的實體互動,將會增加一個人的存在感(Witmer and Singer, 1998)。

2.4.3 以身體為互動的要素

使用者經由互動後心理的重現及其結果決定了多少的虛擬環境被體驗。虛擬環境是經由心理行 為模式的表現和有存在經驗的,當這些可能的行動被包含和感知時,便能在虛擬環境中去引導 和移動參與者的身體(Schubert and Friedmann, 1998)。當使用者感知到從實體環境中區隔出來時 便能增加沉浸感,包含了使用者能使用直覺自然的方式來進行互動行為與控制,且能察覺到自 身移動的存在感(Stanney, et al, 1997)。因此,若能夠直接的與虛擬環境互動則會得到較大沉浸 感,且感覺到是此環境中的一部份(Witmer and Singer, 1998)。在虛擬環境中互動要素的探究和可 預測性的虛擬環境動力對空間中的存在感最有影響,這控制或互動行為是以身體或身體的一部 份來與虛擬環境互動時,則能提高使用者的存在感 (Schubert and Friedmann, 1998)。當使用者在

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第二章 媒材回顧 虛擬環境中有更多的控制行為,則可以感受到更多的存在感。了解虛擬實境和存在感之間的關 係後,若要得到較好的虛擬實境效果則必須增加使用者與虛擬實境間的互動行為(Stanney, et al, 1997)。

2.5 虛擬環境中的空間介面

2.5.1 一般的輸入裝置

輸入設備所提供的向度(DOF)是重要的特性之一,利用此單一的方法讓身體能在空間中移動,一 個追蹤的裝置一般擷取到三個方向和三個定位的值共六個向度。另一個輸入設備的特性為輸入 的型式和它所產生資料的頻率。基於使用者的動作所產生的資料,其組成是單一的值或是連續 的資料數值,單一的資料數值通常是改變應用的方法,像是改變一個 3D 模型程式在桌面上畫的 方式,或是指出使用者想要做的一個動作像是導覽的技術,而連續的資料數值在於回應使用者 的動作,並不太注意使用者想要做的是什麼 (Bowman et al, 2004)。一般而言,以互動為主的輸 入設備包含了電腦上的 2D 介面與鍵盤、滑鼠,以及在 VR CAVE 中的 3D 介面,如 3D 定位器 (tracker)、數據手套(data glove)、力回饋肢臂(force feedback arm)等,以下分別介紹這些輸入設備: 1.鍵盤 鍵盤是傳統的桌上輸入裝置中典型的例子,它是由一組分離式的按鈕所組成的。一般多使用在 桌上型 3D 應用從立體模型到電腦遊戲。例如:在第一人稱的射擊遊戲中方向鍵常是作為簡單漫 遊(travel)技術的輸入裝置。但是當使用在更沉浸的 3D 環境中並不實用,當使用者穿戴一個頭戴 式顯示器(HMDs)或是在環繞式的環境中,因為一般的使用者都是以站立的方式,並不適合再用 手持一個輸入裝置來互動。 2.滑鼠及搖桿 在傳統的 2D 輸入作業中,滑鼠是最常被使用的裝置且有很多種的變化。搖桿則是和滑鼠或壓力 板(pen-based tablets)相似,它是由一個可連續設定 2D 位置和一組按鈕或開關所組成。搖桿和滑 鼠最大的不同在於只要滑鼠一停止螢幕上的游標就停止,而搖桿則是持續地往它所指的方向移 動,若要停止則必須轉回空檔的位置,很多電視遊樂機使用不同的搖桿設計來控制他們的遊戲。

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第二章 媒材回顧

3. 3D 定位器

在很多的 3D 應用中,3D 定位器對使用者介面是很重要的,在三度空間中它提供有關使用者或 實際物體位置的資訊。例如:應用時需要使用者頭的位置和定位,而位移視差(full motion parallax) 和立體深度(stereoscopic depth)的訊息能包含其中。在大部份的應用中使用者不用再傳遞信號, 資訊能夠自動地傳送到 3D 應用系統中。 4.數據手套(data glvoe) 在虛擬環境中,使用者能夠透過使用手套來操作動作,數據手套上裝配著感應器,用光纖連接 著電腦,戴上它後可用真實的手去控制虛擬的手的動作,它能夠測知手指頭的彎曲程度或是二 指之間的觸碰關係,且提供使用者所輸入的資料。另外,當使用者介面需要使用者手指彎曲的 資訊時,虛擬的手會相對應到實體的手且能夠被使用。 5.力回饋肢臂 利用一支如機械手臂的裝置,透過手臂的彎曲、旋轉計算出位置,其精確度也最高。其具有地 心引力、碰觸、抓取等功能,有如人在真實世界中抓取物體一樣,有重量、厚度等感覺,但因 為它是固定在實體的空間中,所以會有限制。另外像是力回饋手套和力回饋方向盤也常使用在 電腦遊戲和飛行模擬中。

2.5.2 以身體為互動的輸入裝置

在電腦或遊戲的輸入裝置上,從鍵盤滑鼠的操控到利用雙手來進行互動外,更有利用身體或身 體的一部份來操控的互動裝置,利用這樣的方式當作輸入裝置的控制稱為身體輸入裝置 (bodily input device),除了利用視覺來感受虛擬世界外,更多了其他的感官來加強在虛擬世界中的知覺, 進而增進使用者在虛擬環境裡的存在感。Mokka(2003)利用身體為操作介面的健身電腦遊戲 (Fitness Computer Game with a Bodily User Interface)研究案及 Strömberg(2002)在互動虛擬空間裡 遊玩的群體遊戲 (A Group Game Played in Interactive Virtual Space),都是利用身體使用者介面 (bodily user interface)當作輸入裝置。利用身體為操作介面的健身電腦遊戲 (Mokka, et al, 2003) 主要是將運動及電腦遊戲結合在一起以創造出更沉浸及更刺激的訓練環境,為了是要改善以往 單調的健身運動所帶給使用者無聊及無趣感。整個系統包括了:訓練用的腳踏車、電腦、喇叭

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第二章 媒材回顧 以及用來投影的大型螢幕。研究中使用者的存在感是非常重要的,因為他們想要讓使用者玩這 個遊戲的同時能感到愉快且能融入顯示螢幕所顯示的風景,並且感覺到是在參觀當地的風景。 但存在感在虛擬環境裡通常是需要直覺的操控裝置才能被突顯;而利用身體的自然移動來控制 遊戲這樣似乎能增加遊戲者的存在感。

圖 2-1:Fitness Computer Game with a Bodily User Interface (Mokka, 2003)

在互動虛擬空間裡遊玩的群體遊戲(Strömberg, Väätänen, Räty, 2002)主要是利用一種新的使用者 界面來操控電腦遊戲。因為在研究中發現以往的電腦遊戲都是一個人獨自遊玩或是上網加入其 他人的遊戲,且遊戲介面通常都只包含電腦、鍵盤、滑鼠及搖桿等,更進一步的有力回饋方向 盤或搖桿,但人類的知覺感官與身體自然移動都只被少量的運用在這些使用者介面上。更進一 步的虛擬實境遊戲嘗試著要將使用者介面透明化或消失,通常還是必須帶著特別的裝置。而使 用身體或是空間的使用者介面主要目的,是希望能比以往更多樣化的利用人類的知覺感知與移 動。因此,此研究的目的是減少真實環境與互動虛擬環境之間的界限,為了是要增加使用者存 在的感覺。他們創造了一種新的體驗與玩電腦遊戲的方式,利用玩家自然的身體移動來操控遊 戲,並與其他玩家產生互動。研究最後的結果說明了利用這樣的方式讓玩家們更能沉浸在虛擬 環境當中,並且在遊戲中與其他玩家一起互動的過程讓他們更沉浸在遊戲裡。

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第三章 空間介面的建置

由之前的回顧中指出存在感在虛擬實境中是一個重要的特點,為了要得到較好的虛擬實境效 果,必須提高使用者的存在感(Schubert and Friedmann, 1998)。且在虛擬環境中若使用者能夠與 虛擬的身體聯想在一起,經由行走的方法與虛擬環境互動將能夠增加存在感(Slater, et al, 1995)。 因此,在虛擬環境中增加了互動的空間介面,讓使用者自然地與虛擬環境進行互動,更可藉由 此輸入裝置進而產生沉浸和涉入的效果 (Stanney, et al, 1997)。本研究的目的主要是為了開發一 個能與 VR CAVE 互動的介面,以提升使用者在虛擬環境中的存在感。研究共分為二個步驟, 第一步驟為空間介面的建置,為了能更深入建置一個具有存在感的空間介面,有必要在建置前 先探討人體在虛擬空間中的一些直覺性動作,以人類步行的方式為基礎分析行走時的動作,再 以其所得的四個正面取向「左-右」、「前-後」以及「位於中心」,對人類行走的動作進行回顧。 之後在 3D 軟體中建置一個虛擬空間及實作一個感壓式踏墊(floor sensor),將此空間介面與 3D 的場景設置在 VR CAVE 中,經由 Multiuser 來連結六台 client 端電腦後,便可與使用者產生即 時的互動。第二步驟為認知實驗與介面評估修正。

Mine, Brooks & Sequin(1997)指出使用者與環境互動能引起更多的共識和經驗的互換,由於使用 者在虛擬環境中無法接觸到真實的物體,他們必須依賴真實世界中的經驗來適應和操作。 Schubert & Friedmann(1998)也說明了在虛擬世界中使用者利用身體或身體的一部份來進行瀏覽 為可能的行為時,存在感便會產生。Mokka(2003)更進一步的說明,此互動的行為需要直覺式的 操控更能夠突顯。Chan and Weng(2005)指出在虛擬環境中涉入和沉浸為必要的存在經驗,且互 動的程度決定了反應多少的存在感。上述四篇文章中均提出直覺性動作能夠增加存在感,但並 無指出直覺性動作的細節,而無法了解為何種動作。因此,探討人體在虛擬環境中的一些直覺 性動作時,本研究以人類步行的方式為基礎分析行走時的動作,以作為空間介面設計時的依據。

3.1 人類行走動作的回顧

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第三章 空間介面的建罝

上下左右的方位感,空間的存在於人體、想像力與環境的互動之中(Bloomer & Moore, 1977)。在 實體空間中,人類對於自我在於空間中的感受來自於對實體環境的認知(Montes, 1992),其中包 括了二個要素 1 實體環境、2 人類本身透過感官知覺的感知來意識到自己存在於空間之中。以身 體的認知來說,人類透過五種基本感覺來探索空間中的資訊,這些感覺是一系列的知覺系統, 其分類的方式來自人對環境進行互動時搜尋資訊的類型,包括視覺系統、聽覺系統、味嗅覺系 統、觸覺系統以及基本取向系統,這五種系統藉著不同的方式搜尋到不同的資訊,在實體空間 身體理論探討中,最受討論的是觸覺系統及基本取向系統,因為它們直接涉及三度空間的概念, 其中「基本取向系統」所指的為人體對於空間相對位置的感覺,使我們以身體的正面方向衝擊 其他知覺的刺激,並涉及身體的平衡(Bloomer & Moore, 1977)。

人類對於在實體空間中的感知可以用人體意象理論加以解釋,其基本原則在於人類無意識的把 自己的身體置於一個三度空間的邊界之內,且將自己置於空間的中心。在這個理論中,三度空 間的邊界是不穩定的,而且被視為人體的延伸,延伸的範圍則依照人類的心理效應以及對空間 的知覺程度,而隨著一些人體的向外接觸動作,這個邊界也會隨之往外擴大。對於空間方位 (soatial orientation)的認知是建立空間概念最重要的因素,方位即是個人所在的方向及位置,它 是一種維持前進方向的能力,在前進過程中依其相對關係,進而分辨出目前所在的位置,因此, 人能將現在的位置與欲前往的方向做一粗略的連結,所以在瀏覽空間時,空間概念上的方位認 知與建構過程極為重要(Arthur & Passini, 1992 )。

人在行走時也以正面取向為主以正面來面對刺激來源,觀察人類走路的姿勢特性,當人類站立 不動時重心是位於中央的,而抬起其中一隻腳時,神經將會反射性的命令肌肉將本身的重心移 動到站著的另一隻腳上,接下來抬起的腳落地重心回到人身中央,然後繼續重複之前的動作, 這種行走的方式稱為靜態步行(Statically Stable Walking),在行走時重心保持於單腳支撐或二腳掌 間,以維持身體平衡。而人類之所以可以平穩地直立行走,是因為體內靈敏的平衡器官可以精 確地判斷出身體重心的改變量,透過小腦的即時反應,然後利用腿部的肌肉即時出力來平衡傾 倒的態勢。所以當人類的身體前傾時,這種不自主的反應會促使人類伸出其中的一隻腳往前踩 來平衡身體,所以透過這種前傾、往前踏腳、前傾、往前踏腳的動作循環,即構成了「步行」 這種動作(kamen, 2001)。另外,分析人體走路時的特性,有以下幾點:可以適應崎嶇不平的路 面、步伐的不一致性、腳步的計劃,其中便說明了人類的行走過程是有計劃的,我們往往在走 這一步的同時,也決定了下兩到三步的腳步位置,所以不常有走錯的情形發生。觀察一般步行

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第三章 空間介面的建罝 時,我們可分為支撐腳及跨步腳,當一腳跨步離地時,重心則維持在支撐腳之上負責保持平衡, 而能跨步向前(圖 3-1)。 圖 3-1:人類行走及向左、右轉的動作 過去的研究指出儘管有許多虛擬環境與真實環境間的差異,但無論環境是真實或虛擬其實對我 們而言導引的方式都是一樣的,因此可推論虛擬環境的設計原則主要是以真實世界的導引研究 為基礎(Darken & Sibert, 1996)。除了身體的內、外知覺外,由人體基本的正面取向感,即當我們 感受到視覺、聽覺、觸覺和嗅覺的刺激時,便會轉身以我們的正面來面對刺激來源,可以發展 出一系列「上-下」、「左-右」、「前-後」以及「位於中心」的感覺(圖 3-2),首先辨識出身體在空 間內的中心性,由此產生出用以辨識空間的能力,而面部、頭部的表情則作為重要的信息,隱 喻著身體感受到的空間形式。人類身體的運動行為與空間發生對話,所有人類的動作都追溯著 複雜的空間形狀,但仍受到人造環境所限制 (Bloomer & Moore, 1977)。

人體走路時,主要是以人體的中心朝向 Z 軸的正向移動,是一個順向性往前的直線運動方式, 因此,可以發展出直向及橫向的二個方向。另外,以許多運動來看,像是網球就有其基本的腳 步像是直行、後退、側併步,都與行走時的方向有關。透過此觀察說明了,在虛擬環境中人的 直覺性動作必須與實體空間中的經驗一樣且利用人的身體動作來瀏覽環境,人在瀏覽一個空間

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第三章 空間介面的建罝 時,人的肢體語言的直覺動作包括了頭部的上、下、左、右及腳部的向前、向後、向左、向右。 因此,人在空間中瀏覽時,其動作不止是在原地的觀看還會有肢體實際的向前進、後退及向左、 向右。因此,得知人在行走時的直覺性動作為向前、向後、向左、向右。 圖 3-2:人行走時的方向

3.2 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,

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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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第三章 空間介面的建罝

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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第三章 空間介面的建罝 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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第三章 空間介面的建罝 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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第三章 空間介面的建罝 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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第三章 空間介面的建罝 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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第三章 空間介面的建罝 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 跡追蹤(ray-tracing)或是全局照明的演算法預先計算場景中的燈光所打出的陰影,然後存成光影 材質檔再貼到模型上製造出自然的光影效果(圖 3-10),如此不僅可以減少電腦運算的時間更可在 場景中模擬光影的效果,便可在即時運算上得到最好的效果。 圖 3-10:燈光對於場景模型的效果 D. 攝影機架設方式 在 VR CAVE 中虛擬立體視覺的運作原理主要是模擬人眼來設計的,在 3D 軟體中我們用攝影機 來代替雙眼,依照人類的視覺來架設所需的攝影機。人類眼睛兩眼相距約 6.5 公分左右,經由兩 眼不同位置得到的成像差異可以感知和判斷被觀察物體的深度。以人眼看金字塔的呈像而言(圖 3-11),當人眼的視網膜接收到眼睛的畫面時經過大腦很快計算後,左右兩眼得到兩眼視差的成 像,左右兩眼所得到的影像外形為實線部分,而虛線部分為合成立體三度空間的金字塔型外觀, 大腦接受了左右眼所傳遞的訊號,自動的將這兩個位移偏差的影像整合在一起,產生一個具有 立體深度的影像(圖 3-11)。 人眼在觀看一個物件時會判斷其形狀和深度,決定物件的形狀是來自於雙眼的像差,任一眼的 影像都沒有形狀的訊息,而在判斷空間深度的線索時會有來自雙眼像差的立體視覺,由於左右 二眼的影像有差異,所以必須找出左右二影像有位移的部份,為深度上不連續的表面來形成立 體視覺影像,雙眼的像差成了深度的依據,二眼像差愈小為愈遠的訊息。在立體視覺中二眼所 拍的二張影像就像是從中間拍的,可在人腦中立即的轉換,大腦結合左右二眼的影像後先解決 左眼的影像之後在腦中進行左右物件的配對,愈不配的代表距離近而愈配的代表距離愈遠,立 體知覺是在物件辨視之後由左邊影像去找右邊影像的對應物將二張影像對應起來,成為雙眼所 見的立體視覺。

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第三章 空間介面的建罝 圖 3-11:人眼立體像差 在 VR CAVE 中的呈像原理主要是模擬人眼的雙眼像差所產生的立體感,所以將攝影機視為人 的雙眼,在 3D 軟體中架設兩部攝影機以代替人的雙眼。研究中所使用的設備為三面背投影的螢 幕,每一個投射螢幕有二台攝影機,攝影機之間的距離是依照人兩眼間的距離約 6.5cm 來架設, 且有同一個焦點,而二台攝影機的標的點也相同。因此,以中間的 camera 為參考,向左右距離 3.25cm 各複製一台 camera(ML 與 MR),而三面投影螢幕的夾角為 120∘,所以各組(LL 與 LR、 RL 與 RR)各向左及右轉 60∘,在場景中分別架設了六台攝影機(LL、LR、ML、MR、RL、RR) 以及供伺服器(server)電腦的攝影機共七台,向內角度為 0.2 或 0.3 度,最後將攝影機的設定調成 自由攝影機(free),基本上鏡頭為 35mm 完成攝影機的設置(圖 3-12),但會因為場景的尺度不同 鏡頭的大小及位移位置也不同(圖 3-13)。 圖 3-12-1:攝影機的設定

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第三章 空間介面的建罝 圖 3-12-2:三螢幕與攝影機的設定 鏡頭:28mm 鏡頭:31.5mm 鏡頭:35mm 鏡頭:50mm 圖 3-13:攝影機不同視角測試結果

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第三章 空間介面的建罝

3.3 操控介面的設計

3.3.1. 3D 使用者介面

在虛擬環境中要完成一項互動的任務得透過介面去達成,而這介面包含了硬體與軟體上的介 面,因此 3D 互動介面的設計對於使用者與虛擬環境的互動相形重要(Parusha & Berman, 2004)。 操作介面的主要功能是提供使用者來控制機器的,作為人與電腦間的溝通媒介(圖 3-14),而一個 好的介面設計會利用隱喻的設計方式,讓使用者可以非常清楚的知道該功能的內容及使用的方 式。以電腦或遊戲的輸入裝置來看,從一般的鍵盤、滑鼠、雙手以及身體的動作,目前,在 VR CAVE 中新的互動方式是以刺激人類的感官和電腦作互動,使用的設備像是數位板、觸控螢幕、 數據手套等等,在虛擬環境中的互動原則為虛擬世界的導覽(navigation)、對於物件的操作及利 用真實或虛擬的角色來傳達。而本研究中所使用的 VR-CAVE 以 Director 8.5 為開發工具就目前 的輸入裝置而言,僅有鍵盤、滑鼠、搖桿與 RS-232 等,未來還可以結合紅外線、攝影機等設備, 但就研究的軟、硬體考量、訊號傳輸與 VR-CAVE 同步顯示效能等問題,如果處理不當就會發 生攝影機移動時畫面不連續的狀態,因此,研究中使用了一個外接式的鍵盤與一個踏墊作為開 發的基礎,讓使用者可以縮短學習的時間以直覺及簡易的方式來操作。 圖 3-14 :人機互動關係 在VR CAVE應用中3D使用者介面設計是一個不可或缺的組成要素,什麼樣的使用者介面才算是 好的設計呢?一個輸入設備和硬體設備及程式的作業流程如何能自然的、有效的和適當的結 合?以及如何讓使用者感到順暢與舒適都將是要繼續探討的。在研究中先以3D互動導覽介面的 案例研究,提出3D導覽介面設計之初步準則,作為先期實作之參考,人在虛擬環境中可以利用 真實空間的經驗來作為互動的依循。在虛擬環境的互動行為(interaction task)項目中主要可區分為

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三種,分別為導覽(navigation)、選取/操作(selection/manipulation)與系統控制(system control)。因 此,對於互動的設計在人類工程學、設備使用的優點及限制上都必須有一個完全的了解,才可 以在互動的技術和硬體中找到自然和直覺的方式(Bowman et al, 2001)。

Darken & Sibert(1996)自許多認知心理學的文獻與都市建築的設計方法中,整理出真實環境中導 覽之設計原則主要為二:1.能夠引導來了解環境的組織架構、2.能夠引導來了解地圖的使用與呈 現方法。進而證實了人們於真實世界中的導引方式的確可以應用至虛擬世界中,也就是說虛擬 環境的導引設計,若依循此兩類設計原則,可讓使用者有較佳的互動與表現。由於電腦上的限 制,虛擬環境中所呈現之事物其視覺細節上自然比不上真實環境,因而比真實環境還少了一些 線索的提供像是空間或移動上。也就是說虛擬環境會較為缺乏地標(landmark)與景深線索(depth cues),例如被遮蔽物體(occlusion)、物體質地密度(texture gradients)的呈現,而無法有助於使用 者在空間中對於距離的評估(Vinson, 1999)。一般而言在輸出的部份都是以視覺來呈現的,因此 若以城市導覽而言,導覽的行為是使用者在大尺度的 3D 虛擬環境中最普遍的一種互動行為,而 它的挑戰是在一個空間中如何增加使用者對空間的體認,且在一個大的場所中提供更有效率和 更舒適的移動, 讓導覽是較為簡單容易的如此使用者便能專心在更多重要的工作上(Darken & Sibert, 1996;Bowman et al, 2001)。

Bowman(2001)也提到構成導覽的因素主要可分為運動(motor)的漫遊(travel)、與認知(cognitive) 的路探(wayfinding)。而導覽一般可分為三個任務:一是探索(exploration),在導覽過程中沒有任 何明確目標只是隨意的瀏覽環境;二是搜尋(search),在環境中尋找特定的目標;三是策略 (maneuvering) 為了執行一個特殊的作業以一個較短、較精確的方式運動,主要使用在於放置視 點到一個更有利的位置。其中,虛擬環境中漫遊是一個概念簡單的作業,將視點由一個地方移 動到另一個地方,為了能夠達成在虛擬空間中的互動漫遊有五種穩喻性的互動技術:實體運動 (physical movement)、手動式觀景窗操作(manual viewpoint manipulation)、掌舵(steering)、目標基 礎的漫遊(target-based travel)、與路徑規劃(route planning)等五種隱喻性的互動方式。而實體運動 (Physical movement)是使用者利用身體的移動來漫遊(travel)於環境之中,大區域的移動和追蹤、 在一個場景中行走,或是移動設備,像是跑步機或是不動的腳踏車,這樣的技術是適當的,它 能夠增加使用者的存在感或當使用者需要這樣的應用來體驗實際上的使用狀況(Bowman et al, 2001)。

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第三章 空間介面的建罝

再者,許多形式的虛擬環境由於大多缺乏周遭的視覺感知,必須額外提供導引的訊息。以上這 些因素,雖然皆暗示了在虛擬環境中導覽之困難,卻也證實了良好導覽設計之必要。使用者在 沉浸式虛擬環境中或透過使用者介面與此環境互動,能否有效的引導使用者並告知其所在是十 分重要的(Darken & Sibert, 1996;Haik et al, 2002)。

3.3.2. 空間介面的設計

要設計一個具有存在感的空間介面,必須讓使用者感受到互動的行為是直覺及簡單的,利用人 的身體動作為操控裝置,且讓使用者與實際的走路經驗連結一起,則更能增加使用者的存在感 (Yang, 2005)。以步驟一的結果為基礎,利用此四個主要的方向來實作一個感壓式踏墊(floor sensor)。使用者運用腳步的動作配合著踏墊來控制方向,建置一個具有直覺性動作的介面,利 用其腳部的動作:向左、向右、向前及向後四個方向性來控制此環境。此裝置主要是利用數字 鍵盤(numeric keypad)及跳舞機的踏墊來改裝,將踏墊利用電線連接到數字鍵盤上面的方向鍵, 把踏墊及數字鍵盤設置成一個感壓式的輸入裝置,再利用 USB 線將訊號傳送到 server 端。當使 用者利用此感壓踏墊來操控虛擬環境時,訊號傳送到 server 後再連結到其它六個 client 端,如此 便可以讓使用者直接的虛擬環境互動。以下便是裝置的介紹: A. 遊戲機的踏墊

由 Konami 所推出的跳舞機 Dance Dance Revolution(DDR),是一種節奏與音樂的遊戲,主要是 利用人的腳步動作配合著音樂來跳舞的遊戲(圖 3-15),讓使用者透過身體的動作與遊戲結合,遊 戲中通常是以流行的舞曲及快節奏的方式,讓使用者感覺像是在跳舞一般,舞曲開始後遊戲的 銀幕中就會依照音樂節奏出現一個個的節奏點,遊戲者要依照畫面的節奏,利用腳部的動作來 進行互動,再配合一塊踏墊來進行遊戲,遊戲的操作方式是隨著一首首的音樂節奏,在畫面上 有相對應的指令↑、↓、←、→,使用者隨著音樂跟著銀幕的節拍來踩舞步,一邊遊戲還可以 邊運動。整個遊戲的互動方式是利用四個主要的方向來控制,就很像真的在跳舞一般,使用者 利用腳部的動作對墊踏進行踩踏的動作來與遊戲中的虛擬世界互動,之後 Konami 更推出了加入 手部動作的互動遊戲,讓遊戲更趨於真實。

數據

圖 2-2:A group game played in interactive virtual space (Strömberg, 2002)
圖 3-4:3D 呈像流程
圖 3-15:跳舞機的踏墊及遊戲畫面
圖 3-19:VR-CAVE 的系統架構
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參考文獻

相關文件

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