虛擬實境之個體特徵分析與描述模型

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Taiwan Nor.

Univ.

師大學報

Vol 40

pp

.3

7-60

1995

第 40 期第 37-60頁民國 84年

虛擬實境之個體特徵分析與描述模型

饒達欽、數達耘、 1可敏燼、*陳世月王

國立台灣師範大學工業教育系(所) *國立台灣師範大學資訊教育系

摘要

本研究分析虛擬實境 (virtual reality) 中虛擬個體 (virtual object) 的特性

並提出一個描述方法，藉由這個描述方法能幫助虛擬世界建構者解決大部 份虛擬實境系統中軟體 (software) 部份表現過於呆扭的問題，讓虛擬世界

中的虛擬個體能藉由更智慧( intelligent) 化的表示方式顯得更接近真實。研

究中首先針對虛擬實境系統中對於虛擬世界中個體的表現能力加以分類，

根據這些分類找出可能的特徵及描述方式，然後定義出合適具體的模型

(modeling) 方法來描述這些特敏，並為這個模型方法加入智慧化的參數 (pa­

rameter)

，讓虛擬個體表現地更~真實。

為了使於對各個體模型化結果的表達，本研究設計了一套適合於表示

這些模型化參數的方法 VOMM

( Virtual Object Modeling Method)

，藉由

這套方法的協助，虛擬實境設計者 (designer) 可以很容易地描述每一個虛 擬個體本身的特徵以及虛擺個體闊的交互作用 (interaction) ，讓整個虛擬實 境的應用在軟體方面也能更~趨近真實。整個模型化的結果，也使得從事

模擬( simulation) 、人工生命 (artificial life) 及情境教學設計方面研究工作者

能有更方便確實的工具可茲利用。

一、簡介

虛擬實境已逐漸成為計算機圖學與多媒體技術的重要研究領域之一，藉由虛擬實 境的觀念與發展技術，在許多的研究領域中都可以達到往昔某些未能達到的應用層次 與效果。近來，由於微電腦運算速度的增加及運算成本的降低，虛擬實境技術也逐漸 普及於家庭、娛樂及教育相關方面的領域。虛擬實境的研究主要分成硬體以及軟體兩 個部份，在目前的研究領域中，主要都是將虛擬實境的發展方向朝向硬體技術的提昇 '強調自然人機介面裝置的開發及高速繪圖系統的建構，而鮮少注意到軟體方面的發 展，在有限的軟體研究方面，研究的目標大多侷限在立體圓形產生引擎的製作及加速 等有關於圖學影像方面的領域，但對於虛擬個體本身的表達方式此方面的研究可說是 付之闕如。本研究的目的即在針對虛擬實境系統的軟體部份中之虛擬個體內涵，找出 一套描述虛擬實境中虛擬個體的方法，以期能讓虛擬實境世界在虛擬個體的行為表現 方面得更真有真實性，以填補目前虛擬實境系統發展方面對於虛擬個體描述部份的空 隙。

二、虛擬實境中的四種虛擬個體型態

許多虛擬實境 (Virtual Reality) 的發展系統都允許使用者建構自己的虛擬實境世界

(Virtual World)

，並在世界中加上各種不同的虛擬個體 (Virtual Object) 當作是虛擬世

界的成員。這些個體通常在外觀上必須有一個立體模型可供操作者辨識，也就是說必 須有一個存在於虛擬世界中的外在形狀，此外，在許多的虛擬實境系統中，這些個體

往往都還連結到一些特性表或描述式來說明這些個體在虛擬世界中所扮演的角色，讓 操作者在操作這些個體時有所依循。這種「立體外觀.描述內涵」的個體表示關係，如

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圖一所示。根撮系統對立體模型特性描述能力的不同，虛擬個體所能表現的能力也不 同。

L這連結關係

虛提世界中的

記憶體內部的

立體外觀

行為描述

圖一 虛擬個體立體外觀和描述內容的闖係示意圖 在虛擬實境中個體表現的行為，一般可以分成四種型態[1] ，分別是:靜態個體、 遵循物理定律運行的個體、根據行為控制方法運動的個體以及具有人工智慧的個體。 對於前兩類個體而言，個體與個體之間的交互作用有限，必須借助觀察者的操作才能 改變其狀態;而後兩類的個體不僅會對環境產生回應，彼此間也有交互作用的能力， 而且也能表現出類似智慧性的特徵。以目前的虛擬實境軟體的發展來看，大部份在虛 擬世界中的虛擬個體僅具有前兩種能力，具有處理第三種型態個體能力的虛擬實境系 統相當少見，至於能在虛擬世界中擁有智慧性個體的系統更是幾乎沒有。接下來幾節 就將這四種型態的個體，以行為複雜性及反應性為觀點分成四個主要層次加以說明。 付 Level 1: 靜態虛擬個體 -svo 型

靜態個體 SVO(Static

Virtual

Object) 是組成虛擬實境的基石，在虛擬實境世界

中，只要是固定不可移動的個體皆可以靜態虛擬個體 SVO 視之。舉凡虛擬世界中的

背景如山、建築物、指標等都是屬於靜態個體。在虛擬實境軟體的處理中，靜態個 體是最簡單的元素，一般都是在立體模型建構完成後，對該模型不加上任何描述， 則該個體即成為靜態個體。

ωLevel2: 遵循簡單公式規則的虛擬個體 -RVO 型

簡單規則 RVO(Simple-Rule

Virtual

Reality) 類型的虛擬個體的特徵是具有固定

的運行方向及動作，這些運行動作都是遵循簡單的數學或物理公式而來，這些公式 如平移、接轉或是循固定軌跡的運動。對於此類軟體而言，描述這些固定的運動也 是相當簡單的，只要將這些軌跡以正規語言或是描述語言加以界定，系統執行時再 依據這些描述加以處理。這個層次的虛擬個體主要用在描述具規則性運行的個體， 這些個體可包括運行的天體、動態原子模型、轉動中的風扇等。 目 Level3: 真行露控制的虛擬個體 -BVO 型 自然界有許多個體並無法以單純的式子或語言加以描述，這些個體的普遍特徵 是具有較不規則的運行軌跡及行為方式，這些特性都需透過較複雜的形式語言或描 述語言詳加描述。在虛擬世界中，對於許多簡單的生物，都可以行為控制的方法加 以描述，例如蜜蜂、魚類水族、以及螞蟻等，如果不考慮其複雜的行為模式，在進 行相當程度地簡化之後，都可以將這些生物視為具有行為控制特徵的虛擬個體

BVO(Virtual Object

Con甘olled

by

Behavior) 。在比較高階的虛擬實境建構系統中，

這種層次的虛擬個體描述能力是較為常見的。這類的軟體系統主要是以程序式程式 語言或是描述語言為描述虛擬個體的主體，將該系統之虛擬世界中的虛擬個體連結 到一段控制程式碼，該虛擬個體在虛擬世界中表現的行為則視該段程式碼的內容而 定，如果該個體沒有連結到任何程式片段，則該個體就是屬於靜態個體，若加上複 雜的控制程式片段，該個體就可以表現到近似於真實的複雜反應，甚至可以判斷虛 擬環境的變化而加以回應 o 四 Level4: 人工智種虛擬個體 -IVO 型 理想的虛擬世界中的個體必須能表現出符合其扮演的角色所應呈現的行為。在 自然界中，像石頭、家具桌椅及風扇等各自有其一定的基本特徵，這些特徵都可以 使用描述語言加以描述，但是對於一些生物個體如貓狗、人類等，由於是屬於具有 智慧的個體，在虛擬世界中，這些個體除了會依循自身既定的知識或賦予的生物特

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性對虛擬世界或虛擬個體加以反應以外，在虛擬世界的當也會隨著時間的「演進」 ，學習到一些生存的法則或是人生觀，並在未來時間的適當時機加以應用，這些特 色是僅具行為控制能力的個體描述方法所無法達到的，而這個特色也是目前的虛擬 實境軟體對於個體描述較缺乏的能力。

三、虛挨個體塑模程序及方法

付虛擬個體的盟模程序 為了建立更真實的虛擬個體，對於這些虛擬個體必須有一套完整的描述方法加 以塑模。在此，本研究提出一套適合於表示擬真的「虛擬個體塑模方法」

VOMM(Virtual Object Modeling Method)

，依此方法建構的虛擬實境系統，虛擬實

境建構者可以很容易地描述每一個虛擬個體本身的行為特徵以及虛擬個體間的交互 作用，讓整個虛擬實境的應用在虛擬個體的內涵方面也更趨近真實，使得從事模擬 及情境教學設計方面研究的工作者能有更方便的工具可茲利用。對於虛擬個體的塑 模觀念，主要如圖二所示。

電

!可可r

(

~U這個體的立體外型

這(

~!I

參

個體在環境中的 行為表現 圖二 _{本研究之虛擬個體的盟模(VOMM) 基本觀念示意圖}

如圖二所示，塑模的意義在於，每個虛擬個體都有其不同的行為特徵，虛擬世

界的建構者可運用本研究所提出的程序和方法，對於個體的行為能力與特性作一完

整的描述，成為一些遵循虛擬實境系統使用之格式的描述資料，然後該虛擬實境系 統就會根據這些描述出來的資料，賦予這些虛擬個體在虛擬世界中之行為能力及特 性。 當虛擬實境建構者欲在其虛擬世界中加入虛擬個體時，需先針對虛擬個體所可

能表現出的行為及特徵以文字的方式加以描述，待描述完畢後，再由該段文字敘述

中分析該虛擬個體的每一個主要特性，再依這些特性分別使用本研究中所介紹的方 法加以描述。虛擬個體的主要描述程序如圖三所示。 個體行為動作庫 1之 巨3

→t面

圖三虛攤個體的盟模程序

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在圖三中，將被描述的虛擬個體主要需先分成兩類，分別是設計者自行定義模 擬的虛擬個體(簡稱「自控個體 J )以及以感測器和外界事物配合的虛擬個體(簡 稱「受控個體 J )。這兩種個體的最大差別在於，受控個體基本上並不需具備自身 的行為控制能力，其所表現的行為都根據和其所連接的外界真實個體而定，這種虛 擬個體最常見的例子就是時鐘和溫濕度計，也就是說，虛擬實境系統並不需要去關 心受控個體自己的行為反應，因為這些反應完全是根據外界感測器所得到的結果來 表現的。在本研究中所要針對描述的的虛擬個體都是屬於自控個體，也就是其行為 內涵是由設計者以標準的方法加以設定描述，然後虛擬實境系統再根據這些描述， 表現適當的行為及反應。 在國三中所示的塑模程序中，本研究所提出的方法主要著重於如何描述虛擬個 體。在三之。節中將先對行為的內涵加以分析及分類;三之臼節接著說明描述虛擬 個體行為的一些可行方法;三之的節則說明智慧性個體行為所包含的行為成分;三 之@節說明並找出智慧性的虛擬個體所需要具備的參數;三之的節則針對虛擬個體 的個體導向特性加以說明;三之的節中說明描述行為用的程式語言之重要性，最後 在三之的中會提出本研究所整合出的對虛擬個體之塑模方法。 。虛擬個體的行第分析 衰一簡易花圈生態圍的生物特性分析表

品于1

動態個體 靜態個體 _{生命現象共同特徵} 無生命個體 灑水器 蜂窩、溫室 沒有生命現象 有生命個體 _{蜜蜂、蝴蝶、毛毛 花、蝙 具有交配繁殖、食} 蟲、蟑螂 物需求、成長、出 生死亡等現象 運動狀態共同特徵

_RVO

(無生命物體

SVO

(完全靜態的 (共四種層次) 的規則性運動) 無生命個體)

裹一 簡易花圈生態圍的生物特性分析表{續衰一}

BVO

(有生命物體

RVO

(具成長，一 的行為控制運動) 定時間過後會自行 改變外型的生命個 體)

IVO

(高等生物的 智慧運動) l一一一 在正式描述虛擬個體之前，需先針對虛擬個體的行為特性作一分析，而分析的 內容，主要取決於虛擬實境的應用範圍。以「生物科」中的簡易花園生態圍觀察活 動為例，由於著重的是藉由電腦對花園中動植物活動現象加以模擬，讓學習者能觀 察特定生物的行為、交互作用，以學習生物間互相依存的特性，並認識食物鏈的關 係，所以在該應用範圍下，對於虛擬個體的生物特性就顯得相當重要。此時，可以 用表一所示的特性分析表來分析該虛擬花園中的虛擬個體。 經由表一的分析，可以讓虛擬世界的建構者，能先對所要加以模擬的虛擬個體 之特性有一個初步的瞭解，作為下一步描述各個虛擬個體的基礎。 除了在「生物科」方面的應用外 I 地球科學」的教學也是一個虛擬實境重要 的應用領域。以月球繞地球運行的虛擬模型為例，由於在該模型中的個體僅有地球 及月球兩者，所以在分析方面是以此二星球體的實際資料作為其模擬的依撮，在設 計前，先根據地球及月球本身的公自轉速度以及直徑大小等數據，將之換算為虛擬 世界中的單位，然後製作出兩星球體的立體外型，再以描述工具描述兩星球體的行 為即可。 白描述虛擬個體的方法 目前常見的虛擬個體行為描述方法，主要有以下幾種: 1.方程式或等式(

equation )

立交談式的特性表(

property table )

3. 有限狀態自動機(

finite state automaton )

[1月、 Petri nets[ lO]等圖形化工具

4. Turing machine[3]

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以上幾種描述虛擬個體的方法，第一種及第二種方法只能描述出較為簡單的個 體，這些個體可能只具有遵循簡易物理或數學公式運行的能力，而第三種及第四種 乃至於第五種方法所能描述出的個體行為就較為複雜，其中又以第五種程式語言描 述法能力最強，且最具彈性，但是系統的實施較為困難:而圖形化工具有易於描述 、具有正規的分析方法等優點，但是在描述的彈性方面卻稍遜於程式語言。至於特 性表則有固定的表格可供設計者填寫，相當易於實施，但是在行為控制的彈性上就 非常有限。以上幾種描述方法，其特性及優缺點分別如表二所示。 表二 各種虛擬個體描述方法的優缺點比較衰 描述方法 特點 _{優點 缺點 適於描述的個體} 方程式或等式

_{以簡學個體}

_{單方的程物式理或}

_描

可聽型容的易系嗜統且擇也明確易地於島

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為。

_僻明虛擬

_的回

實施。 特性表

以使的表用行為格者嗔特的入性方式所。供需

_{行可描物容述為的易虛回及擬且對應個P動明I界確體作事的的。}

_{無的E獨llJ虛立法行擬為行描述以個為種及體目雜個的}

簡性單且具擬有個共通

的虛 體 o 圓形工具

以儡應圖D鸝

ru描述嚮工實具

細不節易的指動定較作為。

簡虛擬單個的體行為。控制

。

turing

_{以語個體言tur來的lna描行mach}

_{述為虛反lne應}

_擬

;實的由於傲2彈語3性，也尋、而E且體較F描大律實述。

應於不過由於行於容語陷復為易雜言設。，的太計因此太過問

簡虛擬單個的行體為。控制;

machine

。

程式語言

此外，程式語言隨著其程式規畫方式的不同又可分為:

程序式程式語言(

procedural programming language )

非程序式程式語言( nonpro∞dural

programming language )

對於虛擬個體而言，如果只是要求簡單的行為控制能力，則使用程序式程式語 言作為虛擬個體的描述語言已經足夠，但是假如要求該虛擬個體需能有足夠的反應 能力甚至具有推理的能力，則使用非程序式語言甚至是人工智慧語言可能就是應被 考慮的工具。 的智蔥虛撥個體行篇所包含的三個成分 圖四 虛擬個體和三個行氧層次的開係 在虛擬個體的行為描述中，除了靜態的虛擬個體本身不用描述之外，屬於動態 的個體，在建構之初都必須以三之臼所說明的其中一種方法描述該動態個體的行為 方式，而這些被描述出來的行為，尤其是較為複雜的智慧性行為，均可被分成三個 成分 [11] ，這三個成分分別是行為的機械成分、行動成分以及特質成分。其中機械 成分的行為較為低階，負責描述虛擬個體的每一個基本的動作，如左右轉、前進一

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步等;而行為的行動成分則是較為高階的行為，通常都是被賦予額外意義的複合動 作，如覓食、逃跑等，而這些高階的行動，也都是由一些基本的機械層次之動作所 組合而來 o 至於特質成分，與其說是行為，不如說是指導行為的準則，而這個準則 對於每一個虛擬個體的實例而言並不完全相同，同時隨著時間的「演進 J 虛擬個 體也可能會經由學習更改自身的特質，增加虛擬個體的多樣性。一個虛擬個體若能 同時保有這三種成分的行為描述，才可以保證該虛擬個體擁有足夠智慧性的行為。 虛擬個體和三個層次行為的關係，如圖四所示。 的虛擬個體可能具有的參數 表三特徵參數列示說明表 特徵參數名稱 說 明 虛擬個體名稱 虛擬個體在虛擬世界中的辨識名稱 立體外型 虛擬個體在虛擬世界中的外觀，通常都 為三度空間的物體模型 個體複合性 記錄該個體是基本個體或是複合個體 運動性 個體的可否移動 連結性 和其他的個體是否有連結的關係 O 通常 複雜的個體需要由一些基本的個體加以 連結組成。 繁衍性 此項個體是否具有繁衍的特性 O 時間因素 此項個體是否會隨時間的進行而變化外 型或其他特性。 行為規則知識庫 一個小型的知識庫，規範了這個虛擬個 體對虛擬世界及其他虛擬個體的反應規 則。 行為動作庫 當該虛擬個體的推理引擎推導出一個反 應的行為時，需有一段相對應的動作描 述程式告訴系統如何回應。而行為動作 庫就是將某一虛擬個體所有需要的回應 動作描述程式都收集在一起，以指導系 統該虛擬個體如何去做一也反應。

根據虛擬個體所應具有的特徵，本研究找出了以下的參數作為在描述虛擬個體 的依據，這些參數項目及說明，分別如表三所示。表三所示的各項參數就是虛擬個 體可以描述的特徵，將這些特徵視為虛擬世界的模型化參數，也就是行為控制的依 據，不僅對於虛擬實境系統在處理虛擬世界時有所依循，系統在處理操作者對這些 個體的操作時也有所依循。 的虛提個體的個體還向特性 虛擬個體在虛擬世界中的表示方式，很直覺地具有個體導向的特性。在個體導 向具有三個主要特性，分別是封裝性、繼承性及多型，而在虛擬世界中的虛擬個體 ，其行為的控制方面都是各自獨立的，每個虛擬個體雖然各有屬於自己的類別，但 是在每一個虛擬個體擁有自己的行為特徵，這些行為特徵是其他的個體無法對其進 行操作，只能透過該個體本身所提供的對外介面才能與之溝通，所以說虛擬個體具 有封裝性。 此外，在訐多的模擬工作中，虛擬世界中的虛擬個體常被模擬成具有繁衍能力 的生物，由於在繁衍的過程當中，有許多的特質會延續到虛擬個體所繁衍出的下一 代中;就算是一般的非生物個體，虛擬實境中的虛擬個體在定義行為及特徵時也常 會根據一些個體的共通性加以萃取，找出其階層關係，所以可見虛擬個體也具有繼 承性。 在複雜一點的虛擬個體表示中，有些虛擬個體會以同一個動作去回應不同細節 的事件，這是虛擬個體的多型性。由以上的說明可知，虛擬個體具有個體導向的大 部份特性，因此在做虛擬個體的行為分析及設計時，若能參照個體導向的分析及設 計方法，對於塑模的工作將會有許多額外的幫助。 的用於虛擬個體行揖描述的圓形化工具 使用圖形化工具來描述虛擬個體，是相當直覺的一種方法，而在所有的圖形工 具中，又以 Petri nets 最為適合 o 因為虛擬個體在虛擬世界中的行為並非全為循序的 機制，甚至可能大部份都是平行的。這些平行的特性發生在虛擬世界中的個體必須

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交互作用的物體相當多，而虛擬個體必須在接收到這些個體的交互行為後，需先參 考到自己的特徵參數或是片段描述程式，再判斷該回應的動作。

除了平行特性外，整個虛擬世界都是屬於動態的系統，所以為了描述具有平行 、動態與即時性的特性，

Petri

nets 是相當合適的工具。此外，由於 Petri nets 也具 有正規的數學分析方法，所以在描述每一個個體後，也可以使用這些公式來分析虛 擬個體的行為，找出該虛擬個體的特性及可以改進的地方。圖五所示是一個以 Petri

nets

描述虛擬個體局部行為的例子。 鯊魚在出現 位 在 50日尺內 00:逃開 海豚在海底 中的某處

t4

時間消逝

00:改變本

身的位置

p2

t5

圖五以 Petri nets 表示虛擬個體局部行第反應分析與描述之範例

在虛擬個體的描述方面，

Petri

nets 的符號中， place 可視為是虛擬個體目前所

處的狀態，而 transition 則可視為因應其他個體的一些動作。因此在像圖五所描述的

海豚行為模式時， pla間就是海豚目前的狀態(即圖中 pl 至 p4) ，而 transition 則代 表海豚所遭遇到狀況，以及它所回應的動作(即圖中t1至 t6 )。只要能事先加以分 析、擷取及定義，再描述所有 place

:W

transition 的狀態與關係(

relationship)

，經

由外部事實的刺激，該虛擬個體便會依描述的狀況與規則表現其行為。 的用於虛擬個體描述的程式語言 如 3.3節所說明的，描述虛擬個體行為的方法，除了程式語言之外還有許多種方 法，但是在這所有的方法之中，以程式語言最具彈性，且描述能力也最強。但是程 式語言有許多種類，如何選擇一個合適的現有之程式語言用來描述虛擬個體的行為 呢?基於前幾節的說明，由於在塑模方法中使用了 Petri nets 對個體行為作了基本的 描述，同時在文中也提及虛擬個體本身所具有的個體導向特性，再加上必須兼顧行 為描述的簡潔及效率與未來發展的擴充性， C++ 語言是本研究中最佳的選擇之一。 ω整合的虛擬個體描述方法 根據前幾個小節的說明，本研究提出了一個整合的虛擬個體塑模方法 VOMM' 這個方法考慮了塑模的方便性、彈性和塑模的能力，特別結合了特性表、 Petri

nets

以及描述程式，使得塑模虛擬個體的結構方式較目前已知的其他方法叫 [2][3] 更完整 。使用 VOMM 來塑模虛擬個體的步驟如下所示: 1.以文字對虛擬個體的行為作一完整的描述。 2. 參考三之。節的說明，以行為特徵分析表分析該虛擬個體。 3. 根據以上的分析，製作一個行為特性表，並將適當的值填入。 4. 建立虛擬個體的立體外型。 5. 為所定義的虛擬個體找出一個適當的內建規則庫及行為動作庫。 6. 如果沒有合適的內建規則庫及行為動作庫可供應用時，就根據該虛擬個體的特性 定義出回應的規則，再加入規則庫中。 7. 以 Petri nets 描述每一條規則所對應的動作細節，再將之轉換成 C++ 程式語言; 或是直接以 C++ 語言來描述回應的動作 O 以上述的步驟所塑模出來的虛擬個體內涵，如圖六所示。

虛擬實境之個體特徵分析與描述模型 饒達欽、戴建耘、何敏煌、﹒陳世旺

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虛揖實境系統內建的規貝 IJ 庫

圖六盟模後的虛擬個體內涵

在圖六中，基本特性是由一張表格所組成，由於是系統共通的定義。所以所參考 的規則及動作都來自系統內建的規則庫及動作庫。至於使用者定義動作的定義方法及

步驟，使用者可以選擇使用 Petri nets 或是 C++ 來描述，如果使用 Petri nets 來描述，

則還需要一個將 Petri nets 轉換成 C++ 的步驟，而這些轉換的技術在許多研究 [13][14]

中已有提及。

四、情境教學中的虛擬實境應用實例

構成虛擬實境的其中一項最主要因素就是「融入情境 immersion

)

J '這也是將 虛擬實境應用在教學上的一項主要優點。使用虛擬實境，可以為學習者創造一個優良 合適的學習情境，供學習者做補救學習之用，由於情境的充分融入，可因情境教學的 因素，強化學生的學習效果。

以國中「地球科學」下冊第十章太陽、月球與地球的關係的教材內容為例來說明 ，教師在為學生說明月球繞行地球的現象及相關原理峙，若是要讓學生進一步瞭解行 星運行的現象及原理時，除了可以利用文字的說明以及平面圖形、照片等靜態的教材 解釋外，也可以輔以錄影帶等教學媒體加強學生的學習印象。但是，如果能讓學生經 由模擬性的操作環境，則學生可經由操作或參與獲得更深刻的印象。在這個例子中， 教師可以使用虛擬實境，建構一個可以讓學生充分融入其中的天體模型環境中，讓學 生如同天體中的一份子，以各種角度去觀察及體驗月球繞行地球的現象，置身該情境 ，藉此得到最佳的學習效果。 建構簡易的月球繞行地球之虛擬實境系統時，由於只有兩個虛擬個體，分別是月 球及地球兩個星體，這兩個星體在虛擬世界中都可視為是遵循已知物理規則的虛擬個 體，也就是在上一節中所說明的 RVO 。如前節曾說明，描述 RVO 行為的方法，主要 以簡易的程式語言或狀態機即可勝任。因此，在此以 REND386 為實施例，由於天體的 運行機制在巨觀的看法下符合簡單的物理定律，所以用此套軟體描述即相當足夠。使 用 VOMM 方法，我們將太陽系運行的天體模型分析如下: 付描述虛擬個體的行為特性:由於在此例中的虛擬個體是對於真實事物進行模擬，所 以在該虛擬個體的外觀及行為描述方面，主要以實際的資料為依循。表四即為月球 繞行地球的一些基本數據資料。 表四 月球繞行地球相關數蟑資料表 數據名稱 數據內容及現象 地球自轉速度

_一天

地球直徑 12756公里，約為月球的 13倍 月球公轉速度

約 29.5天

月球自轉速度 約與公轉速度相同 月球直徑 3480公里 月球到地球之距離

約 375000公里

虛擬實境之個問:特徵分析與描述模型 饒達欽、戴建耘、何敏煌、﹒陳世旺

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ω分析虛擬個體的行為:在本例中，由於虛擬個體都是屬於 RVO 類別，因此在分析表 四後，得到下列的工作項目: ﹒距離單位:在虛擬世界中以 1 個單位為 1 公里。 ﹒運轉時間:一個畫面變化約為一天。 目建立行為特性表:由於是簡單行為，即地球自轉與月球公轉，故可省略此項目。 的使用工具建立虛擬個體之立體外型:包括月球及地球的外型，都是使用先利用 C 程 式語言產生，得到較接近球形的立體資料，記錄在 PLG 檔案中，以便在阻ND386

的系統中引用。而完成之地球及月球模型，還必須進一步地以 PLGX 程式將其大小

按照比例調整，調整之方法如下所示:

PLGX /B 12756.12756.12756 EARTH.PLG EARTH1.PLG

PLGX /B 3480.3480.3480 MOON.PLG MOON1.PLG

在 REND386 的系統中，可以用下列的命令載入地球及月球的立體外型，並將之 置於虛擬世界的正確位置上(假設將地球置於原點，並將月球及地球置於同一平面 上，以 X 軸為距離的量度軸)

object earth=earth1 1.1.1 0.0.0 0.0.0 0 . earth

-p

object

moon 司noon1

1.1.1 0.0.0 375000.0.0 0 . moon

-p

的使用內建的行為規則庫及動作庫:由於運行的動作相當簡單，故虛擬個體所有的運 行動作都使用系統所提供的功能，即繞固定軸旋轉，因此並無須進一步定義新的規 則及動作。 的描述虛擬個體的行為:在 REND386 系統所使用的行為描述方法，是以狀態機為基礎 ，描述語言為輔助。此兩 VO 的動態行為簡單地描述如下: 可 EE 」可 tBJ 「 EELrEEL -EEJ 可 EEJ r' ，_L 「 EEL

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圖七所示即月球繞行地球運行模擬之執行畫面。

圖七

月球繞行地球運行模擬之執行例

除了月球繞行地球的例子外，太陽系九大行星運行的虛擬世界建構也是相當合 適以虛擬實境模擬的領域。圖八到圖十就是經過簡化的模擬九大行星運行模擬模型 之執行畫面 [1 月，圖十一則是依照正確比例所完成的九大行星運行模擬模型之執行 畫面。 圖八九大行星模擬之執行畫面一

虛擬實境之個體特徵分析與描述模型 饒達欽、戴建耘、何敏煌、*陳世旺

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圖九九大行星模擬之執行畫面二

圖+ 丸大行星模擬之執行畫面三

五、結論與未來努力之方向

本研究在實施方面主要以 RVO 為說明例，對於 BVO 及 IVO 的描述與建構例將可 作為本研究之後續研究發展工作。 學習與推理能力也是表現虛擬個體智慧化特徵的重要項目之一。對虛擬個體而言 ，推理能力可透過專家系統的建構以及人工智慧語言的使用加以達成;而學習能力則 可引進真學習能力的演算法如類神經網路加以達成。雖然如此，但是在實作上仍有相 當的困難，主要的原因是類神經網路以目前所發展的理論來看，其學習能力尚有限， 而且在學習的過程及回想的動作都需要相當大量的記憶體及計算能力，在許多實際的 應用領域中此要求已屬難以達成，更不用說是在需要即時反應的虛擬實境系統中，這 也是目前虛擬世界系統中難以見到具學習能力的虛擬個體之原因。 以目前的人工智慧發展條件，類神經網路式的專家系統 [8][9] 建構模式是目前可以 嘗試的方向。這種模式若能結合專家系統及類神經網路的特色及優點，不但可具有專 家系統的推理能力，同時也充分利用了類神經網路系統所具有的學習能力，在加強即 時運算速度之後，將使虛擬個體的表達真正的智慧化行為特徵 o

虛擬實境之個體特徵分析與描述模型 饒達欽、戴建耘、何敏煌、﹒陳世旺

57

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59

An Analysis and Description Model for Virtual Object

in Virtual Reality

Dar-Chin Rau , Chien-Yun Dai, Min-Huang Ho, *S. W. Chen

Department of Industrial Education

*Department of Information and Computer Education

National Taiwan Normal University

Abstract

Th

is paper analyzes the properties of virtual objects in virtual reality and proposes a

method for description of virtual objects.

Th

is method wi

l1

assist virtual world builders

to solve the problem of the dull performance of the virtual reality software

,

and to

make virtual objects more realistic in virtual world by way of defining the models and

adding intelligent parameters.

Th

e Virtual

0吋ect

Modeling Method (VOMM) was developed to describe the

in-teraction among the virtual objects.

Th

us

,

the virtual environment will be more realistic

in application packages.