國 立 交 通 大 學
土木工程學系
博士論文
一個整合立體動畫與立體虛擬實境之空間視覺化系統
A Spatial Visualization System Integrating Stereo
Animation and Stereo Virtual Reality
研 究 生 吳彥良 指導教授 劉育東
綜觀整個設計呈現媒材至今的發展，立體的「動畫」與立體的「虛擬實境」已是當今設 計者與大眾溝通的重要呈現媒材，設計者能將他腦中想傳達的意念想法透過這些呈現系 統做更真實的呈現，觀看者亦能經由時間序列與互動回饋所呈現的影像，更進一步了解 設計者的想法。本研究主要目標為建立一個具立體、即時、互動的「空間視覺化系統」， 能縮短原設計者與一般大眾在設計空間溝通上的「原始落差」，以及一般大眾中，有建 築設計經驗的一般設計者與沒有建築設計經驗的一般觀看者的「二次落差」。 基於上述之目標，本研究之在研究方法與步驟上主要分為「空間實驗」與「空間視覺化 系統」。第一步驟「空間實驗」分「立體動畫」與「立體虛擬實境」兩個部份，受測者 分「設計者」與「觀看者」，以類似口語分析之放聲思考為此實驗方法，受測者們觀看 與瀏覽這兩種呈現媒材時，他們怎麼了解設計空間之「空間造型」、「空間尺度」、「空間 動線」與「空間組織」，最後再經由比較分析，設計者與觀看者在這兩種媒材上所產生 的原始落差現象與細微落差現象。第二步驟則是整合第一步驟所得之部份現象，提出一 個具有「水平視覺範圍擴展」、「自動空間測距」、「自動空間導引」、「平、立、剖面圖介 面顯示」、「自動雙眼聚合視覺呈現」與「自動視點定位」等功能的「空間視覺化系統」， 最後再透過一個初步的系統測試，檢視此系統之個別功能與整體系統能否解決第一步驟 之現象與系統在操作介面上的使用性問題。 空間實驗之媒材現象主要結果為畫面比例與攝影機視覺範圍會影響菱形空間之造形的 誤判現象；參考物為判斷空間尺度之主要依據，但對尺度大之空間亦相對產生較大的誤 差；立體視覺之固定式視差易因呈現畫面變大而放大，如沒有相對遠離呈現畫面，易引 起眼睛不適之現象；動畫的運鏡轉彎越多，會增加動線的誤判，但對於動線的主動敘述 性，相較於虛擬實境的自行探索，易於了解彼此空間的連結動線；視覺畫面中有較整體 的空間排列線索呈現，有助於空間組織的了解。最後，基於這些「原始落差」與「二次 落差」異現象，建立能整合這些落差現象之「空間視覺化系統」，其在設計實務上或對 公眾展示上，能提供設計者與一般大眾一個更完整的設計空間之溝通呈現媒材。另外， 這些初步媒材現象亦能提供設計者在動畫、虛擬實境與立體視覺呈現設計上的參考準 則。 關鍵字：電腦動畫、虛擬實境、立體視覺、空間呈現
Abstract
Media development in design representation, stereo animation and stereo virtual reality has come to an important role for designer to communicate the public. The new representational systems help the designers to express their ideas more realistically and precisely. Public laymen can further understand the designers’ ideas through the images which illustrated spatial sequences and evoked interactive feedback. The objective of this study is to create a spatial visualization system (SVS) with stereoscopy, real time and interaction. SVS can solve some original communicative gaps between the original architect and general public viewers as well as the minor communicative gaps between designers with professional backgrounds and viewers without.
The methodologies and steps in this study are divided into two main parts. Step one compose the spatial experiments in two different formats: stereo animation and stereo virtual reality. The subjects are divided into designers and viewers. Subjects in the experimental method use the protocol analysis concept to narrate their cognition of how spatial form, scale, circulation and organization were understood while watching a stereo animation and browsing stereo virtual reality. Then results were then compared and analyzed in order to detect the preliminary phenomena of original communicative gaps and minor communicative gaps from designers and viewers. In step two a spatial visualization system were created based on the phenomena concluded from the pervious experiments. SVS integrates the functions of “Horizontal Visual Expanding”, “Auto Distance Detection of Scale”, “Auto Spatial Guiding”, “Plane, Elevation and Section of GUI”, “Auto Convergence of eyes”, and “Auto Viewpoint Positioning”. In the final step, SVS were tested to examine aspects which include individual function, entire performance and operative usability.
In conclusion, the study investigates the preliminary phenomena from subjects watching and browsing the design spaces in order to create SVS to integrate the phenomena from stereo animation and stereo virtual reality. SVS can be applied as tool to bridge the gaps and improve precision in communications between architectural designers and general public. The phenomena offer guidelines for the designers in representing animation, virtual reality and stereoscopy.
目錄
1. 緒論
1.1 研究背景
1.2 研究問題
1.3 研究目的
1.4 研究方法與步驟
2. 文獻回顧
2.1 設計媒材
2.2 設計中的動畫
2.3 設計中的虛擬實境
2.4 設計中的立體視覺
3. 空間實驗
3.1 實驗環境
3.2 「立體動畫」實驗
3.3 「立體虛擬實境」實驗
3.4 現象分析
4. 空間視覺化系統
4.1 系統建製
4.2 系統測試
5. 結論
參考文獻
個人簡歷
附錄一 動畫影片片段
附錄二 「立體動畫」實驗之口語資料
附錄三 「立體虛擬實境」實驗之口語資料
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1. 緒論
1.1 研究背景
設計是一個改善現有狀況的過程(Simon, 1969)，亦是對尚未出現的東西的一種描述， 設計可能存在大腦裡、紙上或數位裝置裡(Mitchell and McCullough, 1994)。就建築而 言，設計專注於空間、尺度和材質組合之間廣泛且複雜的關係上(Alexander, 1977; Krier, 1988)。然而設計者面對這麼複雜問題的同時，亦需考慮到設計過程中的參與者與設 計最終的使用者。因此，設計者尚需面對的挑戰是如何將他們的想法容易地讓設計 專業人士與非設計專業的使用者或一般大眾了解。就如同其它(醫學、法律、工程等) 專業訓練，設計的過程與設計成果的評估是由專業來審視，在最後階段則是由使用 者或一般大眾來認可(Maller, 1991)。在建築設計上，設計者利用不同形式的視覺呈 現，模擬建築設計與真實環境的關係(Akin and Weinel, 1982)。所以 Schön(1983)指出建 築師依靠「呈現」(representation)做設計、溝通和建築評論，使用「呈現」去連結與 傳達建築的想法。 設計呈現媒材(representing media)的發展，在古羅馬時代，維楚維亞斯(Vitruvius)便已 將平面媒材中的平面圖、立面圖和剖面圖的運用發揮到了極致，並以著作描述了當 時建築物被建造完成時的所有細節、比例與向度(Millon, 1994; Liu, 1996)。然而，越 來越複雜的二維圖集能更精確的描述建築物，卻也限制了非建築背景者對設計內容 的了解與溝通(Mitchell and McCullough, 1994)。所以在文藝復興時期發展了更為擬真 的透視圖及可分析與呈現設計的實體模型兩種新的呈現方式。透視圖的主要目的是 在二維的媒材上呈現出人眼所看到的三維場景，它提供了一個較接近人類視覺經驗 去探討空間視覺模擬的方法，再加上豐富色彩的使用與明暗陰暗的處理，讓一個尚 未實際建造出來的建築設計，可以被預先更接近真實的展現出來，並且更容易被使 用者與一般大眾了解(Perez-Gomez and Pelletier, 2000)。另一面，實體模型則提供設計 者一個可即時變化空間視覺角度與光線陰影的媒材，幫助設計者了解複雜空間的視 覺關係，減少二維平面媒材的模糊性，幫助設計思考，同時也更提供使用者與一般 大眾等非專業設計人士另一個較容易且直接的溝通媒材(Wu, 2003; Smith, 2004)。
1. 緒論 到了數位時代，電腦影響了傳統媒材，如文字、靜態影像、動態影像、聲音等形式， 亦改變了溝通傳播中的接收、操作、儲存與分佈(Manovich, 2001)。而電腦運算科技 不斷的精進，已能到將所有不同類型的媒材整合到電腦運算裡。因此，電腦設計工 具中，以數位模型為基礎且能結合多種媒材類型的整合視覺呈現，成為當今設計的 主要呈現方式，例如電腦動畫為靜態呈現媒材擴展出另一以時間為向度的整合媒 材，使得空間與時間得以結合，空間也得以在時間的推移中被展現出來，而時間也 由空間的變化被呈現(Danby, 1998; Schwarzer, 2004; Ching, 2007)。而時間推移的速度， 有著不同目標的設計呈現，在景觀設計上，透過時間壓縮的方式，呈現需要長時間 才能觀察到的變化，如一天中光線的變化與一年四季的植物變化；而建築則試圖以 人的視點，用最自然的速度呈現人在空間中的移動；營建管理會透過壓縮時間呈現 一棟建築的建造過程(Mitchell and McCullough, 1994)。因此，電腦動畫對設計者提供 了一個較容易操作時間的媒材，但同時也出現空間動畫的運鏡操作的敘述問題，使 得觀看者無法清楚了解動畫所呈現出的空間。而同樣以數位模型為基礎的虛擬實 境，除了能具備時間特性的向度外，還增加了使用者即時互動的向度。使用者透過 互動裝置的操作，任意的在虛擬空間中瀏覽，像人一樣的在地面上行走(walking)， 或像飛鳥一樣在空間中飛行(flying)。虛擬實境對空間呈現的重要性在於瀏覽者與場 景之關係，和其它設計領域(如產品設計、機械工程等)不同的是，其它設計領域瀏 覽者通常大於被瀏覽物，而空間的瀏覽者則被包覆在被瀏覽物的裡面。虛擬實境相 較於其它的呈現方式，提供了一個可以身在(being inside)建築空間中較好的模擬方法 (Kalay, 2004)。另外，電腦動畫與虛擬實境在立體視覺(stereoscopic vision)科技的加入 後，讓平面上的三維空間與三維物件得以像真實般的空間與物體，具有尺度感、量 體感與視覺深度感等視覺特質(Wu, 2003)。因此，電腦動畫、虛擬實境與立體視覺等 呈現媒材對於設計空間的呈現將扮演越來越重要的角色，本論文將探討這三種形式 的媒材如何有效的整合在一個空間視覺化系統中。
1.2 研究問題
二十世紀中後，電腦的問世，促使不同媒材類型與運算科技的得以整合(Manvoich, 2001)；傳統的設計媒材延伸發展為數位媒材(digital media)。在設計上，Kalay(2004) 將電腦新媒材分為三種層次，第一種著重在設計本身，將電腦做為設計的工具、溝 通的工具與輔助設計與思考；第二種是電腦成為空間本身，空間成為有某種思考的 智慧空間；第三種則為因電腦與網路而延伸了實體空間成為網際虛擬空間。然而第 一種層次和設計想法的呈現與溝通最為有關，也是數位媒材在設計中最為明顯的角 色。如「動畫」、「虛擬實境」與「立體視覺」等新的數位呈現方式，擴張了設計媒 材的多樣性，也補充了傳統二維平面圖集與實體模型的不足(Mitchell and McCullough, 1994)，對於設計者與一般大眾更是一種較直接的溝通(Liu, 1996)。 數位媒材在設計空間呈現上的應用，從二維的平、立、剖圖與炫染(render)逼真的透 視圖，發展至可呈現時間向度的動畫，人們以往只能透過靜態圖面在腦中組織成片 段式空間，得以轉變為連續式空間。雖然早期有透過攝影機拍攝實體模型所製成的 動畫，但在影像品質、製作的困難度與運鏡的靈活性皆不如電腦動畫(Bosselmann, 1998)。因此，電腦動畫給了設計者一個較容易操作時間向度的媒材，使得設計者常 常任意操作，讓攝影機在數位場景中飛梭自如，如以很快的速度飛上飛下，穿越建 築物，或飛到不知幾層樓的建築體中(Fear, 2001)，但是這樣的手法因為缺乏有著較 長歷史的電影電視媒材特有的敘述方式，如螢幕語言(screen language)，往往使得運 鏡手法顯示粗糙(Ahmad Rafi, 1998; Nagakura and Chatzitsakyris, 2006)，無法吸引大眾注 意，更遑論讓大眾了解。不少設計者體認到大部份用電腦輔助設計系統所產生的動 畫，是缺乏人的存在感與尺度感(Penz, 2003)。另外，動畫的空間敘述對觀看者而言， 是處於一種被動的形式，影片內容的提供了什麼樣的內容，觀看者只能在這樣已安 排下的流動視覺接受空間資訊，而空間資訊的完善與否，則取決於影片的設計者 (Temkin, 2003)。 另外，「虛擬實境」系統能感知觀看者的動作，同時產生相對應的視覺回饋，進而 和觀看者產生互動，提升觀看者對虛擬環境的感知意識(Belleman et al., 2001)，提供 視覺、聽覺、觸覺等多感知的刺激，進而產生如身歷其境的感覺，而非只是一個影 像的觀察(Bridges and Charitos, 1997; Burdea and Coiffet, 2003)。柯比意(Le Corbusier)認 為體驗欣賞建築，最好的方式是用雙腳走到建築裡，藉由改變觀看的視點角度，去 體察建築空間之連結關係，而非只是繞著理論走動的紙上建築(Penz, 2004)。Bertol 和 Foell(1997)亦認為建築環境最好的感受與美學的評判，是透過一個可以改變視點1. 緒論 的連續性視覺瀏覽，只有透過完整的瀏覽才能提供一個較客觀的空間經驗。然而虛 擬實境相對於動畫雖能有較完整的瀏覽資訊，但在視覺呈現品質上較無法如動畫精 緻，其呈現的精緻度與流暢性會相互影響，往往需要在當時的硬體效能限制下，取 得視覺精緻與視覺流暢的平衡點。 在設計的呈現上，除了實體模型外，大部份的呈現都集中在二維紙面或螢幕上，忽 略「立體視覺」在空間設計呈現的重要性，像是提供觀看者一個較有尺度感、量體 感與視覺深度感的虛擬空間，也較能拉進虛擬與實真之視覺呈現的距離(Wu, 2003)。 另外，Yates(2004)認為空間經驗的感受，有視覺深度的感受要比距離更為重要。Ye 等人(2006)認為從設計的觀點來看，立體視覺可以使得平面螢幕所顯示的複雜物件更 被了解，一個有立體視覺介面的設計系統，能減少在設計過程中的錯誤，同時支援 設計評論者對視覺資訊的不足。且大部份的 CAD 系統為了能在二維的螢幕上顯示三 維的數位模型，需要同時有其它不同視角與不同顯示模式(如線架構、陰暗處理等)， 來輔助設計者對內外關係的詮釋，而這樣同時也提高大腦對不同顯示資訊的組構困 難。因此，立體視覺的顯示，能增強設計者與數位模型之間的資訊交換(Ye et al., 2006) 與協助解決前述的各項困難。 數位時代後，數位模型提供設計者另一個呈現設計的方法，其以幾何模型為基礎 (geometric-based)的特性容易將「立體視覺」應用於「動畫」與「虛擬實境」上。立 體視覺的呈現媒材，由單人頭戴式顯示器(Head Mounted Display, HMD) (Sutherland, 1968)或桌上型螢幕的觀賞擴展到能多人同時觀看的空間模擬媒材(Cave Automatic Virtual Environment, CAVE)。空間的感受不再只是透過一個方形的小框框，而是雙眼 立體之全視覺領域的沈浸式融入(Kalay, 2004)。立體式空間模擬媒材的應用亦從實驗 室走入博物館與美術館，成為設計者對一般大眾做設計想法溝通之呈現工具系統(Liu and Tang, 2003; 劉育東, 2006a)。綜觀上述設計媒材的發展，從最早一維的口語、文 字表達，二維的平、立、剖面圖，到三維的實體模型與透視法的應用，再到數位時 代多維度之建築動畫、虛擬實境等系統，設計者的設計想法能被一般大眾容易了解 的層級也相對提高(Mitchell and McCullough, 1994; Liu and Bai, 2001; Fukuda et al., 2009)，但一般大眾透過呈現媒材了解設計者的設計想法仍然存在著落差，這樣的落 差分為兩個層次（圖 1.1）：第一個落差稱為「原始落差」，是原設計者與一般大眾之 間的落差；第二個落差較細微，是一般大眾中，有設計經驗的一般設計者與沒有設 計經驗的一般觀看者之間的「二次落差」。這兩層次的落差在國際設計環境中尤其明 顯，例如，知名建築師的作品在國際間展出時，會有原設計者與一般觀賞大眾的落 差（原始落差），然而，一般觀賞大眾中，經常包含大量慕名而來的設計者與觀看者，
他們透過呈現媒材來了解原設計者想法時，又會產生另一種細微落差（二次落差）。 另外，又如國際建築合作案例中，原設計者與一般使用大眾之間，存在一種基本的 設計落差（原始落差），但負責協助的在地建築師（即「一般設計者」），他們不是原 設計者，所以與原設計者之間必然存在著「原始落差」，但基於已有的設計經驗，他 們與一般使用者（即「一般觀看者」）在溝通時又會存在著細微的「二次落差」。 基於上述的分析，本論文將深入探討「原設計者」與「一般大眾」對空間的了解時 會產生的「原始落差」現象，以及，「一般大眾」中又可區分為「一般設計者」與「一 般觀看者」，兩者在了解原設計者想法時，又會有細微的「二次落差」，如圖 1.1 所 示。
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呈 現 空 間 的 了 解 層 級 ■ 1D 文字 ■ 2D 圖集 ■ 3D 模型, 透視圖 ■ 4D 動畫 ■ 5D 虛擬實境 ■ 新媒材 一般設計者 一般觀看者ࢨז༣࣯
二次落差ʙৡ˃!
圖 1.1：各種設計媒材對於設計者與觀看者呈現空間了解層級之關係 呈 現 媒 材 的 發 展 如前所述，空間呈現模擬系統已是當今設計者與一般大眾溝通的重要媒材之一(Kalay, 2004)，它可分為「立體動畫」與「立體虛擬實境」兩種系統呈現方式(Liu and Tang, 2003; 劉育東, 2007a)。所以，原設計者能將他腦中想傳達的想法，透過這二種呈現系統做 更真實的傳達，一般大眾亦能經由時間序列與互動回饋所呈現的影像，更進一步了 解設計者的想法(Mitchell and McCullough, 1994)。在國際化設計環境愈來愈重要的今 天，前述的「原始落差」與「二次落差」如何能被新的空間模擬系統所解決或至少 減緩，是數位設計與電腦系統發展中的重要課題。因此，本論文希望在一個具有立1. 緒論 體、即時、互動機制的空間視覺化系統環境中，探討下列三個研究問題(圖 1.2)： 1. 縮短「原設計者」與「一般大眾」在設計溝通上的「原始落差」？ 2. 縮短「一般設計者」與「一般觀看者」在設計溝通上的「二次落差」？ 3. 如何有效整合「立體動畫」與「立體虛擬實境」？ 圖 1.2：空間視覺化系統探討的問題
1.3 研究目的
基於上述的研究問題，本論文的研究目標如下： 1. 透過受測者的空間實驗，獲得： (a)「原設計者」之設計空間透過「立體動畫」與「立體虛擬實境」呈現時，「一 般大眾」了解設計空間所產生的「原始落差」現象，即一般設計者與一般觀看 者了解設計空間的共同落差。 (b)「一般設計者」與「一般觀看者」透過這二種呈現媒材了解原設計者之設計 空間時的「二次落差」現象。 2. 建製一套在設計實務上能有效整合「立體動畫」與「立體虛擬實境」，並能縮短 的「原始落差」與「二次落差」現象的「空間視覺化系統」(spatial visualization system)。1.4 研究方法與步驟
根據上述研究問題與目的，本研究之研究方法與步驟主要分為「空間實驗」與「空 間視覺化系統」二大步驟，「空間實驗」是希望能得到空間呈現媒材「立體動畫」與 「立體虛擬實境」對「一般設計者」與「一般觀看者」(在本研究方法與步驟中簡稱 為「設計者」與「觀看者」)呈現設計空間時所產生的「原始落差」與「二次落差」 現象。「空間視覺化系統」則是希望基於空間實驗中所得的落差現象，能有效整合立體動畫與立體虛擬實境，建立一個具立體、即時、互動之呈現系統。底下為二大步 驟的進一步說明如下： 步驟一、空間實驗(圖 1.3) 1. 實驗環境－本空間實驗是以一個可呈現 120 吋立體背投影螢幕做為「立體動畫」 與「立體虛擬實境」實驗之視覺呈現，呈現的設計內容為一座未來會對公眾開 放的美術館，其空間複雜度亦相較於一般居住空間高，同時以 4 個在造型與尺 度均不同的空間做為本實驗之受測空間。 2. 「立體動畫」實驗－受測者分有建築設計經驗的「設計者」與沒有建築設計經 驗的「觀看者」，透過觀看螢幕中所呈現出來的立體動畫影像，以似放聲思考和 手繪方式，將受測空間之空間造型、空間尺度、空間動線與空間組織及其相關 判斷的因子表達出來。 3. 「立體虛擬實境」實驗－一個月後，相同受測者透過互動搖桿的操作瀏覽實驗 空間，與立體空間實驗相同，以似放聲思考與手繪方式，同樣地將受測空間之 空間造型、空間尺度、空間組織與空間動線及相關判斷的因子表達出來。 4. 現象分析－實驗所得的口語與手繪資料，透過空間造型、空間尺度、空間組織 與空間動線四項空間因子之子因子的比較分析，提出「立體動畫」與「立體虛 擬實境」對於「設計者」與「觀看者」了解設計空間之共同「原始落差」現象， 以及兩者彼此之「二次落差」現象。
1. 緒論 1.1 實驗環境 1.2「立體動畫」實驗步驟 1.3「立體虛擬實境」實驗步驟 1.4 現象分析 1.2.1 四個受測空間之 空間造型(a.畫空間造型 b.描述判斷因子)與空 間尺度(a.描述長寛高 b.描述判斷因子) 1.2.2 空間動線(a.畫空間動線 b.描述判斷因子) 1.2.3 空間組織(a.畫空間組織 b.描述判斷因子) 1.3.1 四個受測空間之 空間造型(a.畫空間造型 b.描述判斷因子)與 空間尺度(a.描述長寛高 b.描述判斷因子) 1.3.2 空間動線(a.畫空間動線 b.描述判斷因子) 1.3.3 空間組織(a.畫空間組織 b.描述判斷因子) 1. 空間實驗主要步驟 圖 1.3：空間實驗架構圖 步驟二、空間視覺化系統(圖 1.4) 1. 空間視覺化系統建製－此系統基於在上述空間實驗之可立即執行的現象，以軟 體 Quest 3D 做為本系統的開發建工具，建製在硬體由三面螢幕組成的空間模擬 器（詳細如第四章圖 4.3 與圖 4.4 所示）上，其所整合的主要功能如下： z 「水平視覺範圍擴展」，此一功能根據空間實驗現象分析中「立體動畫」與 「立體虛擬實境」之「空間造型」的相關現象而得。透過縮小攝影機可視範 圍以減少因透視所產生的空間形變。同時，增加投影螢幕數量，以三投影螢 幕並置方式擴展空間呈現媒材之水平視覺呈現的範圍。而這樣的呈現乃基於 電腦主從(client/server)架構，以網路連接，三組立體投影之即時同步畫面更新。 z 「自動空間測距」，此一功能根據空間實驗現象分析中「立體動畫」與「立
體虛擬實境」之「空間尺度」的相關現象而得。解決透過參考物判斷空間尺 度時所產生的誤差，由系統自動提供空間瀏覽者如雷射測距的功能，精確的 掌握設計空間的尺度。而空間測距之方式是由觀看的攝影機位置與觀看方 向，以攝影機畫面中心為基準，計算這個中心點到攝影機前面之物體表面的 射線直線距離。 z 「自動空間導引」，此一功能根據空間實驗現象分析中「立體動畫」與「立 體虛擬實境」之「空間動線」的相關現象而得。由虛擬引導員自動引領空間 瀏覽者到他所欲前往的空間，而前往的過程是模擬實體空間之限制，行走空 間中的實際動線，以強化參觀者對空間動線的了解。其技術是在所有空間及 動線地面上設定導引的路徑結點，再計算最短的行進路徑引領參觀者的攝影 機到目的空間。 z 「平、立、剖面圖介面顯示」，此一功能根據空間實驗現象分析中「立體動 畫」與「立體虛擬實境」之「空間組織」的相關現象而得。補足 3D 導覽中， 空間視覺資訊對於空間組織的不足，以及單純的平面圖對樓層相間之呈現上 的限制。其主要技術是將 3D 導覽畫面中再分割出小的 2D 視窗，而這 2D 視 窗系由 3D 場景中另外三部攝影機負責呈現整體建築之平、立、剖面圖與目 前所在位置的標示。 z 「自動雙眼聚合視覺呈現」，此一功能根據空間實驗現象分析中「立體動畫」 與「立體虛擬實境」之「空間尺度」的相關現象而得。模擬人兩眼球對於二 公尺內的之立體視覺，以更貼進人雙眼的視覺變化，改進參觀者透過雙眼聚 合感知空間距離的能力。其主要技術是觀看攝影機以射線方式及時偵測前方 物體之距離，以此距離再計算立體呈現之雙眼聚合的角度。 z 「自動視點定位」，此一功能同樣根據空間實驗現象分析中「立體動畫」與 「立體虛擬實境」之「空間尺度」的相關現象而得。依導覽者位置，自動調 整適合導覽者的視點位置，以符合人有不同視點高度與站立位置，同時，更 能呈現出適合參觀者位置的視差影像。其主要技術是透過 WiiMote 之紅外線 攝影機偵測參觀者載上附有 IR LED 燈的立體眼鏡。 2. 系統測試－本系統測試主要分為二個部份，由系統設計者先對各別功能模組與 整體系統做測試，其說明如下： z 第一部分各別功能模組「水平視覺範圍擴展」、「自動空間測距」、「自動空間 導引模式」、「平、立、剖面圖介面」、「自動雙眼聚合視覺呈現」、「自動視點 定位」進行測試，逐一的與空間實驗中產生的現象做驗證比較測試。
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第二部份為整體系統測試，從系統之主從程式起動，伺服端與客戶端電腦連 線、3D 座標定位之無線藍芽連線等前置系統的測試，再到個別功能模組綜1. 緒論 合使用之測試。 2.1.1 水平視覺範圍擴展(a.網路連線 b.攝影機架設) 2.1.2 自動空間測距(a.射線碰撞偵測 b.測距介面顯示) 2.1.3 自動空間導引(a.尋路節點設定與尋路 b.虛擬引導員) 2.1.4 平、立、剖面圖介面顯示(a.子視窗分割 b.平、立、剖面圖設定) 2.1.5 自動雙眼聚合視覺呈現(a.雙眼聚合角度推算 b.自動聚合設計) 2.1.6 自動視點定位(a. WiiMote 連線 b.3D 座標定位) 2.1 空間視覺化系統建製 2.2 系統測試 2.2.1 各別功能模組測試 2.2.2 整體系統測試 2. 空間視覺化系統之主要步 圖 1.4：空間視覺化系統架構圖
2. 文獻回顧
2.1 設計媒材
呈現媒材 (representating media)在設計中所扮演的角色是複雜與多面的，設計師利用 呈現做設計、溝通、評論(Schön, 1983; Kalay, 2004)。設計者面對的挑戰是如何將他們 的想法容易的讓設計專業人士與無設計專業的一般大眾了解，就如同其它專業訓練 (醫學、法律、工程等)，設計的過程與設計專案的評判是由專業來審視，在設計的最 後階段，則是由使用者和一般大眾來認可。但無論設計專案的評判是否該被轉換到 專家，或者應該留給公眾認可(Maller, 1991)。 然而在產品或建築物的設計中，設計者和其它相關專業領域，已經發展了很多不同 的呈現方法，但在一般的實務上，還是會有一些的限制。這些溝通呈現的方法所涵 蓋的範圍，如語言上的說話寫字、符號代碼(arbitrary code)、草圖(sketch)，以及更具 體的方式，如繪製圖(scale drawing)、三維的比例模型(scale model)，甚至是一比一等 比例的模型(full scale model)，如廚房、預售屋等，這些不同的呈現方式，可分為「抽 象程度」與「說明足夠性」(affordance)兩種屬性(Kalay, 2004)，如圖 2.1，有一些是高 度抽象的，如文字、記號等，需要一些腦力解碼運算，才能知道這些符號代表著什 麼意思。而抽象程度較低的，如插圖、照片、比例模型。而比例模型的呈現方式， 在溝通的過程中，甚至可讓訊息的接收者扮演更積極的角色，他們可以自由的轉換 不同的觀看角度。另外一個為說明足夠性，代表著一樣東西如何讓人知道它的呈現 意圖(Preece et al., 2002)，如照片、草圖在設計中所呈現的說明資訊為低，比起比例圖、 比例模型，呈現了設計的詳細尺寸、結構、外型、材質等資訊。 圖 2.1：呈現媒材的分類(Kalay, 2004)2. 文獻回顧
另外，數位時代的來臨，透過如電腦動畫、三維即時的虛擬實境等新的數位呈現方 式，擴張了設計媒材的多樣性，數位呈現補充了傳統的平面圖與實體模型的不足(圖 2.2)(Mitchell and McCullough, 1994)，如建築統設計的過程中，建築師腦中的抽象概 念，須藉由搭配各種圖集、實體模型、數位模型的模擬呈現與分析，來呈現複雜多 變的三維空間(圖 2.3)(Liu, 1996)。Szalzpaj(2005)認為在數位時代，應將傳統的草圖與 實體模型能轉換到數位環境中，讓設計師無時無刻的可以用這些數位化媒材做分析 與呈現，同時更易於對一個設計事務所內部成員，營造或生產廠商，開發商，公眾 或消費者做呈現與溝通。數位媒材不只是一個抽象或設計最後成果的代表，更增加 了人的感知與視覺探索範圍(Migayrou and Brayer, 2001)。
圖 2.3：數位時代的建築思考模式(Liu, 1996) 圖 2.2：傳統媒材與數位媒材的整合(Mitchell and McCullough, 1994)
2.1.1 傳統設計媒材
回顧設計媒材在整個歷史發展中，可從傳播史的角度開始，人類最初用喊叫做溝通、 再到語言的使用、以及懂得在洞內畫上獸類的壁畫、之後用類似的方式產生象形文 字，最後紀元初透過印刷傳遞訊息(Carpo, 2001)。以設計的角度來看，可從史前時代 的建築或是較風土性的原始建築開始，建築物在建造的過程中是沒有透過任何的圖 面資料，僅就週遭材料，以直接了當的方法與作法完成自宅建築(Liu, 1996; Smith, 2004)。然而，當要建造的是一巨大的金字塔時，就必須要有一詳細的施作的方法與 設計媒材的輔助，如在古埃及時代，許多的大型建築，便在建造前，透過平面圖、 立面圖，將設計者所期望的建築畫出來(Millon, 1994; Liu, 1996)。而到了古羅馬時代， 從維楚維亞斯(Vitruvius)的「建築十書」中得知，平面媒材的平面圖、立面圖和剖面 圖的運用，已發揮到了極致，在羅馬城的規劃，更可看到近 1/300 的區域比例平面 圖(Liu, 1996)。到了文藝復興時期，為了要能完整的控制建造過程，建築師在建造之前，利用計畫 性的呈現方式，與建築工人先做溝通。最初的呈現方法則是利用比例圖，它描述了 當建築物被建造完成時的所有細節、比例與向度，建築師的角色也從在工地的技術 人員變成可利用繪圖傳達專業技術的設計師，繪圖與理論的學習訓練比實際的建造 經驗更為重要(Kalay, 2004)。因此，文藝復興時期成為建築理論發展的重要階段，如 知名建築師亞伯提(Alberti)、米開朗基羅(Michelangelo)與帕拉底歐(Palladio)等，都以 論文著作方式來探討建築美學與設計方法，以及設計想法的呈現方式在設計過程中 的角色與重要性(Liu, 1996)，然而，比例圖的技術演進，增加了對建築物的精確描述， 但同時也增加平面圖的複雜性，也限制了設計內容的被其它非建築背景人的了解與 溝通，所以發展了更為擬真的「透視圖」與可分析與呈現設計的「實體模型」。底 下為這兩種呈現方式的更進一步說明： 透視圖 透視圖的主要目的是在二維的媒材上呈現出人眼所看到的三維場景。它是基於相同 大小的物體在不同的距離下，對觀看者而言，呈現在眼裡的物體為大小不同(Shepard, 1990)。一個透視的建構是需要在定理規則下，有系統的以圖學方式建構，在這之中， 包含了視覺、實體世界與它的呈現，三個部份。透視發展的理論與實踐以這三個部 份為發展的中心，真實三維世界可以透過歐幾里德(Euclidean)幾何學來描述，但幾何 學尚不夠來解釋透視法則(Angrill and Parramon, 1997)，在真實視世界中，兩條平行線 不可能會交會成一個點，但在我們的視知覺中，他卻交會成一個點，如鐵軌，在真 實中，是兩條平行的軌道，但在我們眼裡看到的確是交會的。 人怎麼感知三維世界的問題，早在西元前 5 世紀，希臘哲學家恩培多克勒(Empedocles) 提出超任務理論(extramission theory)，一個物體的距離是由目光(ray)的長度來感知 的，如同眼前的一個物體，能夠透過手臂的伸出，來知道這個物體的距離。歐幾里 德(Euclid)在他的光學(optics)一書中提出視覺空間之幾何分析的基礎，描述了基礎的 透視因子，同時也注意到雙眼之視覺影像的不同(Howard and Wade, 1996)。到了 1305 年前後，喬托(Giotto)在帕都亞(Padova)阿列納教堂(Cappella dell`Arena)所作「聖母領 報」的壁畫，企圖在二維的畫作中呈現出三維的建築場景(Wertheim, 1999)。爾後， 到 15 世紀初，布魯內勒斯基(Filippo Brunelleschi) 反對文藝復興之前的宗教觀，改以 自然的空間觀，以科學的方法，發展出線性透視法，他從觀察鏡子中的影像了解到 在一個平面的鏡子上呈現出的平面邊線，最終都會集中於一單一的消失點(vanishing point) (Perez-Gomez and Pelletier, 2000)。另外亞伯提於 1435 年發表其著作「繪畫」(Della Pittura），探討透視繪畫的規則與建構方法，他認為透視法繪畫就像透過一層介於眼 睛和物體之間的面紗看東西，因此，物體的每一點都向觀看者的眼睛投射一束穿過
2. 文獻回顧
面紗的光線，如果能將穿過的光線與面紗的交叉點繪製出來，就能呈現出如窗戶外 的場景一樣(Bertol, and Foell, 1997; Wertheim, 1999)。杜勒(Albrecht Durer)更利用面紗這 樣的概念，在玻璃窗上打上格子(圖 2.4)，同時加上一個可以固定眼睛的基準裝置， 讓眼睛每次觀看面紗時的透視角度可以相同，透過這樣的裝置，將呈現在面紗框架 裡的影像，描繪在有相同格子的的紙上(Perez-Gomez and Pelletier, 2000)。
圖 2.4： Durer 的玻璃格子窗與固定眼睛的基準裝置(Perez-Gomez and Pelletier, 2000)
文藝復興時期的建築空間在視覺呈現上已達到繁花绽放，在繪畫上如瑪薩其歐 (Masaccio)、佛蘭契斯卡(Piero della Francesca)、達文西(Leonardo da Vinci)，他們認為 透 視 法 是 將 理 想 空 間 和 建 築 構 圖 轉 換 到 一 個 可 感 知 的 作 品 之 必 要 方 法 (Bertol, 1997)。這些藝術家除了對透視法的精練外，繪畫中光線處理的開拓者佛蘭契斯卡， 在這時期之前，尤其是中世紀藝術幾乎不曾考慮光線陰影問題，佛蘭契斯卡擅長在 畫中處理陰暗面，空間與人物更易形塑，更可創造視覺深度，同時也提升了透視效 果(Gombrich, 1995)。另外，達文西也意識到距離使形狀變模糊，空間中所要呈現的 不只是透視，尚有空氣的影響，因此透過其空氣透視法表現出空間裡會有的氛圍氣 氛(Angrill and Parramon, 1997)。
透視法從 15 世紀開始發展後，很快地被應用在不同領域的圖像上，從藝術到建築， 從幾何到科學，這些所探索的是如何在二維的平面上呈現真實。透視法呈現提供了 一個較接近人類視覺經驗的探討空間視覺模擬的方法，讓建築設計的呈現，不同於 平面圖、立面圖、剖面圖，透過豐富色彩的使用與明暗陰影的處理，讓一個尚未被 實際建造出來的建築設計，預先被展現出來，同時，這樣的呈現方法更易被業主與 大眾了解，直到現今，一般的建築行銷戶外廣告，在電腦繪圖尚未被普遍使用於設 計界之前，以傳統手繪透視法呈現建築設計仍是最主要且直接的方法。
實體模型 如果說一張圖片勝過千言語，而一個模型更可勝過千張圖，在設計過程中，集各種 材料與各種比例做成的實體模型，提供設計師一個與設計想法較為接近真實設計的 媒材，且直接呈現了視覺化的三維空間，和可即時的變化陰影與量體形式，幫助設 計師了解複雜的視覺關係，減少二維平面媒材的模糊性，幫助設計思考，同時也能 夠提供客戶或公眾等無設計專業人士另一個較容易且直接的溝通媒材(Wu, 2003; Smith, 2004)。不同設計階段，有不同需要解決的設計問題，因此，模型的使用大致 可分為底下幾種形態：初期之概念模型(conceptual model) 、設計發展模型(design development model) 、 呈 現 模 型 (presentation model)(Porter and Neale, 2000; Heufler, 2004)，其應用的時間大致分佈在設計的早、中、後期等三個時期。概念模型是設計 初期用來呈現抽象概念的工具，設計發展模型則是為嘗試各種可能性的設計所發展 出來的可行性模型，而最後呈現模型是在設計完成後，包括細部設計，是用來做為 與業主溝通的主要工具之一。 模型的發展，最早始於古希臘時代塞浦絡斯與邁錫尼神廟的小型陶土模型(圖 2.6)， 而這些非常抽象的模型，不是用來做建築設計表現的，而僅是用來做祭祀用，且一 直被延續到文藝復興初期。模型真正用於設計中，要到文藝復興時期，布魯勒斯基 (Filippo Brunelleschi)為了要解決各類圖集無法描述清楚的形式，及無法明確計算的構 造問題，利用自己手製之立體模型做更精確的說明和驗証(Millon 1994; Liu, 1996)。到 米開朗基羅時，實體模型的使用更為大量，在每個設計過程中使用不同的模型來解 決不同的設計問題，如光影的考慮、比例關係、材料的使用及裝飾等，因而業主與 建築工匠有機會更精確的了解到建築師內心的建築意念(圖 2.7)。模型在文藝復興時 期被大量的應用在建築設計上，也使得文藝後復興時期的建築形式與過去的建築形 式更為豐富且具變化。 圖 2.7：米開朗基羅以實體模
2. 文獻回顧
2.1.2 數位設計媒材
十四世紀的印刷出版與十九世紀的攝影術對現代社會和文化產生革命性的影響，但 現今電腦的出現比前兩次革命是另一個更全面性的革命，影響範圍從生產、分佈到 傳播。印刷出版影響了文化傳播的媒材分佈，攝影術影響了文化傳播的靜態影像， 而電腦影響的是溝通傳播中的接收、操作、儲存與分佈，以及所有的媒材類型，如 文 字 、 靜 態 影 像 、 動 態 影 像 、 聲 音 等 (Manovich, 2001) 。 所 以 什 麼 是 新 媒 材 ? Manvoich(2001)指出新媒材的產生，來自媒材科技與運算的整合，媒材科技從攝影、 電影、電視等一連串的發展，以及電腦科技之運算不斷的精進，到足以整合照片、 動態影像、聲音、文字到到電腦運算裡，成為新的媒材，亦是現今的數位媒材。同 時也提出數位新媒材的五大原則： z 數位化呈現(numerical representation)－所有新媒材物件無論在電腦裡產生或類 比轉成數位的，都是由位元(digital code)所構成，如聲音、圖片都是由相同位元 組成。 z 模組化(modularity)－也稱為新媒材的不規則碎形結構(fractal structure)，而這些碎 形有相同結構，但尺度不同，它們可以相互組合成一個更大的物件，且繼續保 有它們各自的獨立性，如多媒體整合軟體，可整合聲音、圖片、動畫等媒材。 z 自動化(automation)－基於數位化呈現與模組化，透過指令運算，自動地處理如 新增、修改等操作，如影像處理軟體之自動顏色或反差校正等。 z 可易變性(variability)－是另一個數位化與模組化的結果，新媒材物件不是永遠 固定的，它可以用不同方式出現，且有無限的可能，如根據影像之明度高低， 轉變成三維立體影像。 z 轉碼(transcoding)－媒材被轉變成電腦資料後，而電腦又將之轉化成可以讓人了解的組織結構，如三維虛擬空間由笛卡爾座標系統(Cartesian coordinate system) 所定義，對人與電腦有兩層不同的轉碼過程，人感受的是一虛擬空間，電腦透 過運算，在螢幕上打上點。
電腦的發展從 1940 年代開始，從第一台二進位電子電腦 ENIAC，開啓了數位化時代； 而第一台商業化電腦 UNIVAC，開啓了電腦普遍化的開始(Campbell-Kelly and Aspray, 1996)。隨著時間的演進，電腦處理的速度不斷以所謂的摩爾定律之倍數成長，電腦 能解決的問題也不斷的在擴增，影響性慢慢地從數學運算擴及到各個領域。如電腦 繪圖(computer graphics)的發展，在 1960 年代後，已能以線架構(wire frame)方式，呈 現三維幾何的數位模型，其同時影響了設計在視覺呈現方面的表現。如 1963 年蘇瑟 蘭(Ivan Sutherland)發表可以用光筆在螢幕上畫上線條的草圖板(sketch pad)系統(圖
2.8)(Sutherland, 1963)。1964 年，尼可羅龐(Negroponte)發表了一個電腦輔助都市規劃 系統 URBAN-5，此系統利用電腦繪圖平台，結合了鍵盤與光筆(圖 2.9)，讓設計者可 以直接在畫面的選單上點選產生設計(Mitchell, 1977; Kalay, 2004)。1968 年貝茲(Pierre Bézier)為了能在雷諾(Renault)汽車設計中有更自由的曲面設計，提出了 UNISURF 系 統，即是現今三維電腦軟體中常用的貝茲曲線和曲面，其影響航太、造船、汽車與 機械等工業之設計與生產 (Watt, 2000)。 圖 2.9：電腦輔助都市規劃系統 URBAN-5 (Mitchell, 1977) 圖 2.8：可在螢幕上畫上線條的草圖板系統 (Sutherland, 1964) 到了 1970 年代，電腦系統開始出現於建築實務上，Compurelate 是一個早期的電腦輔 助設計(Computer-Aided Design, CAD)系統，幫助設計樓地板平面圖。在這個時期，電 腦輔助設計發展分成兩種路線(Kalay, 2004)，一個是在支援機械設計與航太工業上的 幾何製模(geometric modeling)上，如汽車設計上，幫助繪製複雜的曲面，以布林(Boolean) 方式，建構複雜的機械結構；另一個為建築特性(building-specific)路線，主要為學術 單位所主導，其主要為支援建築描述與空間規畫的套裝資料庫系統，如卡內基美倫 大學(CMU)發展的互動式設計繪圖語言(GLIDE)，密西根大學的電腦輔助工程與建築 設計系統(CAEADS)。 1980 年代後，個人電腦問世，開始快速普及，電腦人機介面也走向更易操作的圖型 化介面(Graphical User Interface, GUI)，如 Apple II。以往在大型電腦上發展的電腦輔助 設計系統，也開始轉移到個人電腦上，因此，電腦輔助設計系統得以開始走入一般 實務界的設計事務所。如 AutoCAD 製圖軟體、建築專用的 ArchiCAD 軟體(Martens and Peter, 2004)等，在此時問世，主要用於二維平面圖的繪製與三維數位模型的建製。爾 後，電腦繪圖的著色(rendering)技術從最早平面著色(flat shading)、經 Gouraud、Phong 到更為真實的光跡追蹤(ray tracing)與熱幅射(radiosity)(Watt, 2000)，電腦輔助設計的軟 體開始能產生逼真的影像與動畫，如 3D studio Max、Maya、與建築用的 FormZ 等。
2. 文獻回顧
另外，由發展出電腦輔助設計所延伸出的電腦輔助製造(Computer Aided Manufacture, CAM)的技術。透過這樣的新媒材，模型的產生，打破以往手工模式，且造形的呈現 上更趨於非幾何的自由形體，只要在電腦 CAD 軟體裡設計好的數位模型，即可藉由 快速成型機(Rapid Prototyping, RP)或電腦數值控制車床(Computer Numerical Control, CNC)將之輸出成實體的模型，如蓋瑞(Frank Gehry)可以將天馬行空的實體模型利用 數位化(digitizer)工具，轉成數位模型，並進行電腦的空間分析、結構分析、光線與 細部模擬等，最後再將數位模型轉成各類可施工的圖集與呈現用之實體模型(林楚卿, 2007)。 電腦在設計中的角色，Kalay(2004)認為，可分為三種層次，第一種比較著重在設計 本身，如電腦做為(1-a)設計工具、(1-b)溝通工具與(1-c)輔助設計與思考；第二種是電 腦成為空間本身，空間有某種思考的(2)智慧空間；第三種則為因電腦與網路而延伸 了實體空間之(3)網際虛擬空間。更進一步的說如下： (1-a)設計工具－為設計中最為明顯的角色，幫助設計師在做一些特定的工作時，能 更為有效率與精確，或更容易使用，如繪製平立剖圖和建製數位模型等工作。而數 位模 型 可經 由三 維 編輯 軟體 之 打光 著色 (rendering) ，產 生 所謂 電 腦產 生式 影 像 (computer-generated image)之電腦繪圖(computer graphics)，其逼近真實的視覺化可以呈 現出尚未被建造出來的建築物，且細部表現上更可超越二維圖面與實體模型等媒 材。這些靜態影像，如再運算成一張張的連續影像，便可成為一有時間向度的動畫。 或者基於數位模型，透過虛擬實境軟體，編輯成有時間與互動向度的三維即時虛擬 實境。動畫與虛擬實境尚可透過立體視覺技術在二維螢幕中呈現出具視覺深度的影 像，呈現更接近真實空間的空間經驗，在 2.2、2.3 與 2.4 節，我們將針對動畫、虛擬 實境與立體視覺，做更詳細的說明。除了以電腦產生式影像外，尚可透過數位相機 所拍攝的照片，經由影像處理(image processing)，以獲得傳統手繪透視圖所無法忠實 描繪出了的材質與色彩，減少設計所呈現的影像與現實影像間的差距，尤其是在環 境景觀上，對設計的溝通上，與非設計專業人員更是一較直接的說明(Liu, 1996)。 (1-b)溝通工具－幫助在設計過程中，人與人之間的溝通，如透過網路，不同領域的 設計成員，可以克服距離上的限制，快速有效的分享設計資訊與溝通設計想法，如 建築設計中的合作式設計(collaborative design)，所需涵蓋成員有非建築領域的專家群 (如設計醫院，需有不同科門的醫生)、建築領域則又分建築設計、結構設計與建造等 不同專業人員，透過如視訊會議、網路式資料庫平台交換、分享不同專業之資訊與 想法(Mitchell and McCullough, 1994; Kalay, 2004)。
(1-c)輔助設計與思考—在設計過程中，幫助設計師找出問題與解決問題，如在一些 小細節上，設計師容易忽略的，可以提醒設計師那裡有問題等，或建議設計師可以 怎麼做等訊息。另外，再從電腦科學領域引入到設計中，試圖在某種程度上，電腦 自己可以解決一些設計問題或幫助師計思考，如有人工智慧之專家系統可以基於基 地之條件設定，產生所有可能的空間配置之空間組織圖 (Liu, 1991)。 (2)智慧空間－1970 年代開始，MIT 的建築機械研究室已致力於電腦與實體環境的應 用，時至今日，電腦已普遍的充斥在我們的生活環境中，成能一種普遍式運算 (ubiquitous computing)的環境(Weiser, 1995)，電腦消失於無形，人與空間資訊的介面， 取而代之的是一較為自然的環境空間，而非傳統的鍵盤滑鼠與圖形化介面，石井裕 (Hiroshi Ishii)提出可觸式位元(tangible bits) ，讓運算的位元資訊可以直接透過實體的 操作方式被感受(Moggiridge, 2007) 。另外，還有如安全門禁管控、空間之燈光與溫 度自動調節。 (3)網際虛擬空間－吉柏森(William Gibson)在 1984 年透過其科幻小說，提出網際空間 (cyberspace)的概念(Gibson,1984)，到 1990 年代後，電腦網際網路開始普級，網際空 間得以如吉柏森在其小說中的所描述的一樣，真正被實現出來。這個空間超越了實 體空間的物理限制，雖不是一個真實的物質空間，但確可讓人知道有個地方在那裡 (there is a there there)(Kalay, 2004)，它不僅只是個溝通的工具，更進一步的伸了實體空 間，那可以是一個每天有經濟行為發生的地方、教育、文化與其它活動發生的地方， 如古根漢虛擬美術館(Guggenheim Virtual Museum)，第二人生(second life)虛擬社群等。
2.2 設計中的動畫
基於 2.1.2 節所述，本節針對動畫在設計中的發展與應用，提出更進一步的說明。動 畫(animation)或稱動態影片(motion pictures)，是由二維影像序列所組成，經由每秒呈 現 24 張不等的方式，因人眼視覺暫留的因素而產生連續的影像感，而這些影像序列 的製作方式可分別由手繪、攝影機拍攝真實場景或電腦製作等方式產生(Mitchell and McCullough, 1994)。它是一種說故事或傳達特殊情感、想法之風格與方法多樣性的媒 材，藉由一序列線性時間之敘述結構，串起一故事的內容(Well, 1998)。動畫為靜態 呈現媒材擴展出另一以時間為主的向度，使得空間與時間得以結合的媒材，空間也 得以由時間的推移，被展現出來，而時間也由空間的變化被呈現(Danby, 1998; Schwarzer, 2004; Ching, 2007)，因此，也是一種空間與時間的藝術。另外，在設計上， 多樣化處理的動畫提供設計在思考上一個新的可能，且動畫對想法的發展與呈現至 少提供兩種機會(Burry, 2001)，第一，透過活化真實設計，處理設計的思考與呈現，2. 文獻回顧
第二，動畫的使用成為概念設計上，在重覆式設計或程序評估的一個裝置。然而， 對一般大眾而言，動態影片相對於靜態影像更容易讓觀看者了解空間中距離與比例 之間的關係(Bosselmann, 1998)。
2.2.1 動畫的技術發展
動畫的發展，最早可以從十七世紀珂雪(Athanasius Kircher)發明魔術幻燈(magic lantern) 開始，這樣的裝置類似現今投影機(projector)，他在一個鐵箱裡放入一盞燈，並在這 鐵箱中開一個小洞，再接上一個透鏡，繪製有圖案的玻璃則放在透鏡的後方，最後， 光線經由圖案玻璃和透鏡，投影在牆上。十七世紀末，約那斯．桑(Johannes Zahn)改 進放圖案玻璃的方式，改以活動式的旋轉盤，投影出有動態效果的影像(黃玉珊＆余 為政, 1997)。1826 年後，照相術的發明，相對文藝復興以來，透過手繪方式記錄真 實影像，引發另一種紀錄真實的新方式與新的方向。1870 年代，由於照相術的成像 由銀版照相法(daguerreotype)演變成膠片(celluloid)的使用，需數小時曝光才可完成一 張影像的截取演變為只需幾十分之一秒，因此，藝術家開始企圖透過這樣的方式去 截取一空間或一動作的瞬間影像，馬奔馳的動作是否有四腳同時張開，也在此時透 過快速連拍，得到證明(Penz, 2003)。另外，動態影片的呈現裝置，從活動旋轉盤演 變成現今捲片式電影投影機(movie projector)。從此動態影片的發展分成了兩條路線， 一種是利用影片(film)所拍的寫實風格，另一種為手繪的卡通風格。然而，這樣的分 野，到了數位時代，電腦介入之後，動態影片出現了另一種以電腦產生影像動畫的 新方式(Manovich, 2001)，除了如皮克斯(Pixar)與夢工廠(Dreamworks)等主要以電腦動 畫為主的公司，既能強調場景的真實性，又有手繪卡通之誇張手法的新式動畫風格。 另一個是藉由數位後製的動態影像合成(matte painting)的動態影片，其更綜合了實景 拍攝、手繪與電腦繪圖於一體的多元表現手法，讓動態影像表現的擬真程度更為真 實，運鏡手法與場面調度(mise en scene)更為豐富與彈性，如最早使用於電影的星際 大戰(star wars)。
2.2.2 動畫在設計中的應用
在設計上，影片的使用是在電影被發明不久後的 1920 年代，柯比意認為體驗欣賞建 築，最好的方式是靠腳，即是雙腳走到建築裡，藉由改變觀看的角度，去體察建築 空間之連結關係，而非只是繞著理論在走動的紙上建築。1930 年在其所參與的電影 Architectural d’aujord’hui 中，第一次讓影片成為敘述建築空間的媒材(Neumann
1999
; Penz, 2004)。當時的一位建築史論家基提恩(Sigfried Giedion)也指出靜態照片無 法清楚的傳達出空間，只有在眼睛伴隨著移動的情況下才有辦法，而動態影片是一個讓建築可以被看得更清楚的好方法。另外，片名為「未來城市」 (Die Stadt von Morgen )則可能是第一次透過影片來解決城市規劃問題的宣傳影片(圖 2.10)，其以空 拍與實地兩種方式拍攝一城市的模型影響至今日建築電腦動畫的表現(Penz, 2003)。 在 1969 年，美國通過環境政策行動的法案，政府應致力於環境評估方法的提升，其 中視覺部份包括要如何讓公眾了解一個城市在新建築加入後對視覺上的衝擊等。隨 後 1974 年，在柏克萊大學成立了環境模擬實驗室(the Environmental Simulation Laboratory)，結合影片特效專家與光學工程師，在一城市的比例模型裡，以行人或開 車者的視角，拍攝未來城市景觀變化的視覺預測(圖 2.11)，讓公眾了解，未來他們如 走在路上，城市的面貌會是如何(Bosselmann, 1998)。
到了數位時代，電腦動畫首次應用於 1967 年美國太空總署(NASA)太空船飛行作業的 模擬上，那時的顯示能力只能限制在 240 個三角形(polygon edge)的模型，而且不包 含平滑陰暗面(smooth shading)的處理。1968 年，加州洛杉磯大學(UCLA)Peter Kamnitzer 製作了一部名為 Cityscape 的電影(圖 2.12)，這是第一個利用電腦動畫於建築環境的 移動模擬(Mitchell, 1977; Bosselmann, 1998)。爾後，電腦普及與其運算效能不斷的提 升，電腦動畫之於設計也相對於廣泛的被使用。1986 年，日本大阪大學笹田(Sasada) 利用電腦動畫模擬(圖 2.13)中國上海因高樓不斷興建，對都市景觀之影響，並透過這 樣的呈現方式，與上海市政府及市民做意見的溝通與交換(Sasada, 1999)。 圖 2.12：第一部建築模擬影片(Mitchell, 圖 2.10：透過影片來解決城市規劃問題的 宣傳影片(www.youtube.com, 2007) 圖 2.11：比例模型之影片動畫片段 (Bosselmann, 1998) 圖 2.13：上海都市景觀模擬(Sasada,
2. 文獻回顧 另外，2000 年交通大學建築所透過腳本企畫，模擬新竹市未來幾年內新的城市發展 規劃，除了新的設計空間透過動畫呈現外，尚結合了城市市民的生活概況，如騎腳 踏車與滑板車遨遊城市中的情形(Huang et al., 2001)。專案名稱為「2050 創意台灣」， 透過想像未來 50 年後不同特性的都市空間之未來性，與 50 年後文化藝術生活的預 測，再經由虛擬攝影棚、實景影片、數位模型等不同媒材的整合，呈現出未來 50 年 後之台灣藝術與文化生活的遠景(圖 2.14)(Wu et al., 2005)。除了透過動畫呈現未來的 空間外，亦可基於二維的歷史建築圖面、壁畫、繪畫與文字敘述資料之考證與推論， 建構出一個已消失的歷史城市之數位模型，再結合人物之歷史性故事，重現一千多 年前的中國唐代之長安城與宮殿生活景象(圖 2.15)，讓觀看者產生有別於靜態圖面與 文字間的想像，有了更清晰易懂的視覺經驗(Liu and Tang, 2003)，其研究目的在於為 已消失之歷史城市與生活文化提出一可行的數位復建程序。然而，除了對具像視覺 的模擬外，尚可呈現一些真實世界中裸眼無法感知的資訊，透過動畫呈現出來，如 大樓群之間的風洞測試，透過視覺化，呈現風穿過大樓群時的路徑變化(Kalay, 2004) 。 或 將 龐 大 的 統 計 數 字 透 過 電 腦 繪 圖 的 資 訊 視 覺 化 (information visualization)(Ware, 2004)，讓不易被讀取與分析的數字，變成動態圖形動畫，如一座 城市 在 不 同 時間 所 建 立 的人 口 普 查 資料 ， 透 過 一地 理 時 空 系統 (spatial-temporal systems)做三維動畫之視覺化，分析人口的分布與流動的狀況(Darling, 1992)。 圖 2.14：2050 年之台北街景想像 圖 2.15：唐代長安城的明德門
2.3 設計中的虛擬實境
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 andCharitos, 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。
2.4 設計中的立體視覺
基於 2.1.2 節所述，本節基於立體視覺在設計中發展與應用，提出更進一步的說明。 立體視覺(stereoscopic vision)提供觀賞者對於一個虛擬空間較有「尺度感」、「量體 感」與「視覺深度感」，拉進了虛擬與實真之視覺呈現的距離(Wu, 2003)。另外， Yates(2004)認為空間經驗的感受，有視覺深度的感受要比距離更為重要。然而雙眼 立體視覺的出現已經超過兩百年了，除了這麼長的歷史之外，在設計的領域中卻很 少看到它相關的應用與研究。Ye 等(2006)人認為從設計的觀點來看，立體視覺可以 強化對平面螢幕顯示複雜物件的了解，一個有立體視覺介面的設計系統，能減少在 設計過程中的錯誤，同時支援設計評論人對視覺資訊的不足。且大部份的 CAD 系統 在二維的螢幕上顯示三維的數位模型，為了能了解模型，需要同時有其它不同視角 與不同顯示模式(如線架構、陰暗處理等)的模型顯示視窗，來輔助設計者對內外關係 的詮釋，這樣同時也提高大腦對不同顯示資訊在組構上的困難，也增加了設計過程 中的複雜度與困惑程度，而立體視覺的顯示，能增強設計者與數位模型之間的資訊 交換(Ye et al., 2006)。2.4.1 立體視覺原理
人從眼睛感知視覺空間的方式可分為單眼視覺(monocular)和雙眼視覺(binocular)。人 之視覺空間感知可從投射到單眼視覺中的一些深度(depth)與距離(distance)線索(cue) 得到感知，如燈光與陰影、相對大小、疊合關係、材質疏密、空氣遠近、相對平移、 透視(Schiffman, 2000)等。然而在視覺空間中，還有一些資訊需要透過雙眼視覺(即立 體視覺)，如圖 2.20 所示，不同動物種類之單眼視覺與雙眼視覺疊合(binocular overlap) 範圍的不同，被補性(prey)動物如兔子，單眼視覺範圍超過 180 度，但是雙眼視覺疊 合範圍前後相加則不到 20 度，而補食者(predator)之單眼視覺範圍較小，雙眼視覺疊 合範圍則有 120 度之多，靈長類(primate)動物如人類則更高 124 度，上下垂直的視覺 角度則為 120 度，其強調的是對雙眼視覺範圍內所呈現的物體影像有較強的深度與 距離的感知，能較精確的掌握空間中每個物體的位置，也才能較精準的抓取眼前物 體(Schiffman, 2000)。2. 文獻回顧 圖 2.20：不同動物種類之單眼視覺與雙眼視覺疊合範圍(Schiffman, 2000) 除了投射在視網膜的影像有視覺線索可供判斷深度距離外，在人眼的部份，尚有三 個較重要的部份可供判斷深度距離的因素(Kaufman, 1974; Schiffman, 2000)： z 雙眼視差(disparity)－當一個物體在雙眼前，左右眼的視覺影像可以明顯的感受 到些微的不同，主要是雙眼觀看眼前的物體角度不同，造成所謂的雙眼視差。 而人類大腦的視覺處理系統能根據雙眼視差偵測視覺的深度。
