中 華 大 學 博 士 論 文
數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統
VIRTUAL REALITY LEARNING SYSTEM FOR DIGITAL TERRAIN MODEL SURVEYING PRACTICE
系 所 別：土木與工程資訊學系 學號姓名：D09104004 李振民 指導教授：葉怡成
中華民國 九十七 年 六 月
數值地形模型測量實習之虛擬實境學習 系統
摘要 摘要 摘要 摘要
本研究的目的在於建構「數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統」，提 供學生完整的虛擬戶外實習環境，使學習過程不再受儀器、時間、地點、氣候所 侷限，並提供學生互動化、個人化、三維化的學習過程，以及計量化、個人化、
即時化的學習回饋，突破傳統教學方式的束縛。系統的使用流程分成 (1)選取地 形要點作業 (2)編輯三角網作業 (3)誤差評估作業 (4)誤差回饋作業 (5)成果展 示作業。系統可模擬的儀器操作有全站儀的縱轉、平轉、全站儀的測站遊走、反 射稜鏡測點遊走。系統可模擬的場景物件有地形模型、三維方塊、建築物、車輛、
樹木、地表多邊形。系統提供五個具代表性的場景，包括山脈區場景、丘陵區場 景、海濱區場景、以及二個人工地物與天然地形混雜的校園區場景。學生可在虛 擬實境的環境中進行選取地形要點及編輯不規則三角網，讓同學如臨現場般的進 行測量作業，並在作業完成後立即了解誤差大小與分佈，達到即時回饋的效果。
在實際應用於教學後，從學習者得到滿意的反應。
關鍵字：數值地形模型、測量實習、全站儀、虛擬實境
VIRTUAL REALITY LEARNING SYSTEM FOR DIGITAL TERRAIN MODEL SURVEYING PRACTICE
ABSTRACT
The purpose of this research lies in building the virtual reality learning system for surveying practice of digital terrain model (DTM) based on triangular irregular network (TIN), offering students an integrated virtual field practice environment, making learning process no longer limit by instrument, time, place, and climate, and offering them an interactive, individual, three-dimensional learning process, and a measurable, individual, immediate learning feedback, breaking the constraints of the traditional teaching way. The operation procedure of the system is divided into (1) choosing the topographical control points operation, (2) editing the TIN operation, (3) assessing the DTM elevation error operation, (4) showing the DTM elevation error operation, and (5) showing the DTM operation. Instrument operations that can be imitated by the system contain vertical turn and horizontal turn of total station instrument, movement of total station instrument and reflector. Field objects that can be imitated by the system contain the terrain model, 3D blocks, buildings, cars, trees, and surface polygons. The system offers five representative scenes, including mountainous area, hill area, seashore area, and two campuses consisting of artificial buildings and natural topography. Students can choose the topographical control points and edit the TIN in the virtual field practice environment, let themselves be like practicing in the real field, understand the magnitude and distribution of elevation error immediately after finishing their operations, and get the immediate feedback learning effects. After using the system in real practice courses, the system received satisfactory responses from the students.
Key Words: digital terrain model, surveying practice, total station, virtual reality
誌謝 誌謝 誌謝 誌謝
博士求學過程轉眼間已經圓滿結束，回想入學至今的點滴，實感收穫滿盈。
一路走來，心中只有滿滿感謝幫助我、提攜我與關心我的師長、學長姐、學弟妹、
同事、學生與摯友，也因為你們的支持，才讓我堅持到最後，獲取博士學位。
特別感謝指導老師 葉怡成教授，在求學期間給予學業、研究、工作與生涯 規劃上諸多教誨與建議，能蒙此恩師教導，為此生中最寶貴的際遇，也是一輩子 最豐富的寶藏。。
再者於博士畢業口試期間，感謝口試委員玄奘大學副校長暨國立新竹教育大 學 王鼎銘教授、國立台灣大學 曾惠斌教授、中華大學 余文德教授、中華大學 邱 垂德教授，細心指導讓論文疏漏之處，得以加入寶貴意見與建議，使之更臻完善。
最後，要感謝一直默默支持我的家人，因為有你們的鼓勵與關懷，讓我在逆 境中克服困難；在順境中更上層樓。在此，僅將博士學位獻給我最愛的父母親，
謝謝你們。
目錄
摘要... I 誌謝...III 表目錄... VI 圖目錄... VII
第一章 導論 ...1
1-1 研究動機 ...1
1-2 研究目的 ...4
1-3 研究方法 ...5
1-4 研究內容 ...6
第二章 文獻回顧 ...8
2-1 測量實習教學 ...8
2-2 虛擬實境 ... 11
2-3 虛擬實境在工程教學的應用 ...20
2-4 虛擬實境在測量教學的應用 ...37
2-4-1 測量儀器操作實習...37
2-4-2 導線測量與平面圖測量實習...42
2-4-3 地形測量實習 ...46
2-5 結語 ...48
第三章 系統分析 ...51
3-1 前言 ...51
3-2 TIN 測量原理...52
3-2-1 數值間接測定法之等高線內插...59
3-3 系統功能 ...66
3-4 選取地形要點作業 ...69
3-4-1 選取地形要點 ...69
3-4-2 刪除地形要點 ...69
3-5 編輯三角網作業 ...69
3-5-1 編輯三角網 ...69
3-5-2 刪除三角網 ...70
3-6 誤差評估 ...70
3-6-1 誤差均方根計算（RMS） ...70
3-7 誤差回饋 ...71
3-8 成果展示 ...72
3-9 結語 ...73
第四章 系統設計 ...75
4-1 前言 ...75
4-2 系統功能 ...76
4-3 選取地形要點作業 ...77
4-4 編輯三角網作業 ...78
4-5 誤差評估 ...80
4-6 誤差回饋 ...81
4-7 成果展示 ...84
4-8 結語 ...84
第五章 系統實作 ...86
5-1 前言 ...86
5-2 軟體選擇 ...86
5-3 系統介面 ...89
5-4 模擬機制 ...92
5-5 虛擬物件 ...95
5-6 虛擬實境實習場景 ...102
5-7 虛擬實境實習場景實例 ... 112
5-8 結語 ... 113
第六章 系統評估 ...132
6-1 前言 ...132
6-2 系統評估的方法 ...132
6-3 評估用的虛擬實境實習場景一：中華大學南區地形圖 ...134
6-4 評估用的虛擬實境實習場景二：中華大學北區地形 ...137
6-5 評估用的虛擬實境實習場景三：海濱地形 ...139
6-6 問卷意向調查 ...141
6-7 評估結果（實驗法） ...142
6-8 虛擬實境測量實習系統講習會 ...143
6-10 專家深入訪談 ...144
6-10 結語 ...145
第七章 結論與建議 ...147
7-1 結論 ...147
7-2 研究貢獻 ...150
7-3 建議 ...152
參考文獻...155
附錄 A 數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統學生使用手冊...161
附錄 B 數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統教師使用手冊...188
附錄 C 數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統系統光碟目錄...216
附錄 D 教學者與學習者系統問卷意向摘要列表...218
表 表 表
表目錄 目錄 目錄 目錄
表 1-1-1 傳統與精簡測量實習表 ...3
表 1-1-2 傳統教學與互動多媒體教學在測量學教學方面之比較表...4
表 2-2-1 虛擬實境依不同技術類型之優缺點比較表 ...16
表 2-2-2 傳統教學與虛擬實境教學在儀器基本操作方面之比較表...20
表 2-3-1 1997~2008 年虛擬實境於訓練與學習的相關國內期刊論文 ...22
表 2-3-1（續） 1997~2008 年虛擬實境於訓練與學習的相關國內期刊論文 ...23
表 2-3-2 1997~2007 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究 ...25
表 2-3-2（續） 1997~2007 年度國科會虛擬實境於訓練與學習專題研究 ...26
表 2-3-3 1995~2008 年以虛擬實境為工程教育相關研究國內博碩士論文整理表...30
表 2-3-3（續 1） 1995~2008 年以虛擬實境為工程教育相關研究國內博碩士論文整理表...31
表 2-3-3（續 2） 1995~2008 年以虛擬實境為工程教育相關研究國內博碩士論文整理表...32
表 2-3-4 1990~2008 年 ASCE 土木相關領域虛擬實境文獻 ...33
表 2-3-4（續 1） 1990~2008 年 ASCE 土木相關領域虛擬實境文獻 ...34
表 2-3-4（續 2） 1990~2008 年 ASCE 土木相關領域虛擬實境文獻 ...35
表 2-3-4（續 3） 1990~2008 年 ASCE 土木相關領域虛擬實境文獻 ...36
表 3-2-1(a) 不規則三角網的資料結構(一)：節點資料 ...55
表 3-2-1(b) 不規則三角網的資料結構(二)：三角形資料 ...55
表 7-1-1 測量實習傳統教學與本學習系統比較表 ...148
表 7-1-2 本研究與相關研究之比較表 ...149
表 A-1 滑鼠與鍵盤功能鍵一覽表...167
表 B-1 滑鼠與鍵盤功能鍵一覽表...192
表 C-1 系統光碟目錄說明表...217
表 D-1 教學者與學習者系統問卷意向摘要列表...218
表 D-1（續） 教學者與學習者系統問卷意向摘要列表...219
圖 圖 圖
圖目錄 目錄 目錄 目錄
圖 1-3-1 數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統研究方法流程圖...7
圖 2-1-1 TOPCON GTS-211D 全站儀...9
圖 2-1-2 不規則三角網 ... 11
圖 2-2-1 電腦模擬、電腦動畫與虛擬實境相互間關係 ...14
圖 2-2-2 桌上型 VR 系統 ...17
圖 2-2-3 融入式虛擬實境系統 ...18
圖 2-2-4 洞穴式虛擬實境系統 ...18
圖 2-4-1 RTK 基站儀器介紹教學系統圖 ...37
圖 2-4-2 PDA 虛擬操作系統圖 ...38
圖 2-4-3 粗略定平系統圖 ...38
圖 2-4-4 全站儀照準虛擬實境教學系統（望遠鏡模式） ...39
圖 2-4-5(a) 系統建構的真實空間...39
圖 2-4-5(b) 系統建構的虛擬空間 ...39
圖 2-4-6 傳統測量實習全站儀教學流程圖 ...40
圖 2-4-7 新全站儀測量實習教學流程圖 ...40
圖 2-4-8 虛擬儀俵板設計 ...41
圖 2-4-9 概略定心...42
圖 2-4-10 概略定平...42
圖 2-4-11 精確定心 ...42
圖 2-4-12 精確定平...42
圖 2-4-13 粗略照準模式系統建構 ...42
圖 2-4-14 精確照準模式系統建構 ...42
圖 2-4-15(a) 本系統建構的真實空間...43
圖 2-4-15(b) 本系統建構的虛擬空間 ...43
圖 2-4-16 傳統測量實習教學流程圖 ...45
圖 2-4-17 虛擬導線測量實習教學流程圖 ...45
圖 2-4-18 系統執行導線測量圖 ...46
圖 2-4-19 系統執行地物測量圖 ...46
圖 2-4-20 立體地形模型系統 1 ...46
圖 2-4-21 立體地形模型系統 2 ...47
圖 2-4-22 紙圖數化丘陵地形 ...47
圖 2-4-23 數值地形之虛擬實境建構實例：現地實測中華大學校園北區...48
圖 2-5-1 虛擬實境在教學上之應用研究主題架構演變圖 ...50
圖 3-1-1 系統執行流程圖 ...52
圖 3-2-1(a) 真實地形 - 立體模型 ...54
圖 3-2-1(b) 真實地形 - 立體模型加等高線 ...54
圖 3-2-1(c) 真實地形 - 等高線 ...54
圖 3-2-2(a) 以不規則三角網法建構地形模型—步驟 1：估計地形線 ...55
圖 3-2-2(b) 以不規則三角網法建構地形模型—步驟 2：選擇地形要點...56
圖 3-2-2(c) 以不規則三角網法建構型模型—步驟 3：連成三角網 ...56
圖 3-2-2(d) 以不規則三角網法建構型模型—步驟 4：以內差法繪出等高線 ...57
圖 3-2-3(a) 數值法之地形圖測法（二）：不規則三角網法 - 地形要點...58
圖 3-2-3(b) 數值法之地形圖測法（二）：不規則三角網法 - 三角形編碼...58
圖 3-2-3(c) 數值法之地形圖測法（二）：不規則三角網法 - 等高線圖...59
圖 3-2-4 數值法之地形圖測法(三)：方格網法 - 等高線 ...60
圖 3-2-5(a) 三角形等高線內插實例 - 三角形編碼...62
圖 3-2-5(b) 三角形等高線內插實例 - 等高線內插結果 ...62
圖 3-2-6(a) 實交點、虛交點及無交點之意義...63
圖 3-2-6(b) 交點座標之計算 ...63
圖 3-2-6(c) 交點座標之計算實例...64
圖 3-2-7 判斷點是否在三角形中的方法 ...65
圖 3-2-8 三角形之外接矩形 ...66
圖 3-2-9 交點是否可能在三角形內之判別實例 ...66
圖 3-7-1 色階圖自訂誤差正負差距值與地形誤差展示 ...72
圖 3-8-1 教師建構的地形模型 ...73
圖 3-8-2 學生在虛擬實習作業中建構的地形模型 ...73
圖 4-1-1 系統資料流程圖 ...75
圖 4-1-2 傳統與虛擬實境數值地形教學流程圖 ...76
圖 4-2-1 系統功能設計圖 ...77
圖 4-3-1 選取地形要點系統設計圖 ...79
圖 4-4-1 編輯三角網系統設計圖 ...80
圖 4-5-1 誤差評估系統設計圖 ...82
圖 4-6-1 誤差回饋系統設計圖 ...83
圖 4-7-1 成果展示系統設計圖 ...85
圖 5-2-1 多媒體系統發展工具難易圖 ...87
圖 5-2-2 Visual C++環 境 與 控 制 項 ...89
圖 5-2-3 Visual C++建 立 的 視 窗...89
圖 5-3-1 系統主畫面圖（以中華大學南區地形為例） ...89
圖 5-3-2 三維虛擬實境區 ...90
圖 5-3-3 二維虛擬實境區 ...90
圖 5-3-4 地形要點座標記錄區 ...90
圖 5-3-5 系統功能表...91
圖 5-3-6(a) 功能鍵列 ...91
圖 5-3-6(b) 功能鍵列放大圖 ...92
圖 5-3-7 功能鍵列功能 ...93
圖 5-4-1 系統的互動模擬機制 ...94
圖 5-4-2 反射稜鏡...94
圖 5-5-1 地形模型 1（中華大學南區地形） ...95
圖 5-5-2 地形模型 2（中華大學北區地形） ...96
圖 5-5-3 三維方塊 1（中華大學南區地形） ...96
圖 5-5-4 三維方塊 2（中華大學北區地形） ...97
圖 5-5-5 建築物 1（中華大學南區地形） ...97
圖 5-5-6 建築物 2（中華大學北區地形，建築物虛擬建構列出）...98
圖 5-5-7 車輛 1...98
圖 5-5-8 車輛 2...99
圖 5-5-9 樹木 1（中華大學南區地形） ...99
圖 5-5-10 樹木 2（中華大學北區地形，樹木虛擬建構列出） ...100
圖 5-5-11 地表多邊形 1（中華大學南區地形） ...101
圖 5-5-12 地表多邊形 2（中華大學北區地形，地表虛擬建構列出）...101
圖 5-6-1 山脈區場景 1...102
圖 5-6-2 山脈區場景 2...103
圖 5-6-3 山脈區場景 3...103
圖 5-6-4 山脈區場景 4...104
圖 5-6-5 丘陵區場景 1...104
圖 5-6-6 丘陵區場景 2...105
圖 5-6-7 丘陵區場景 3...105
圖 5-6-8 丘陵區場景 4...106
圖 5-6-9 海濱區場景 1...106
圖 5-6-10 海濱區場景 2 ...107
圖 5-6-11 海濱區場景 3 ...107
圖 5-6-12 海濱區場景 4 ...108
圖 5-6-13 中華大學北區場景 1 ...108
圖 5-6-14 中華大學北區場景 2 ...109
圖 5-6-15 中華大學北區場景 3 ...109
圖 5-6-16 中華大學北區場景 4 ... 110
圖 5-6-17 中華大學南區場景 1 ... 110
圖 5-6-18 中華大學南區場景 2 ... 111
圖 5-6-19 中華大學南區場景 3 ... 111
圖 5-6-20 中華大學南區場景 4 ... 112
圖 5-7-1 中華大學南區校園：實際場景 1 ... 115
圖 5-7-2 中華大學南區校園：虛擬場景 1 ... 115
圖 5-7-3 中華大學南區校園：實際場景 2 ... 116
圖 5-7-4 中華大學南區校園：虛擬場景 2 ... 116
圖 5-7-5 中華大學南區校園：實際場景 3 ... 117
圖 5-7-6 中華大學南區校園：虛擬場景 3 ... 117
圖 5-7-7 中華大學南區校園：實際場景 4 ... 118
圖 5-7-8 中華大學南區校園：虛擬場景 4 ... 118
圖 5-7-9 中華大學南區校園：實際場景 5 ... 119
圖 5-7-10 中華大學南區校園：虛擬場景 5 ... 119
圖 5-7-11 中華大學南區校園：實際場景 6 ...120
圖 5-7-12 中華大學南區校園：虛擬場景 6 ...120
圖 5-7-13 三角網數值地形模型展示 1 ...121
圖 5-7-14 三角網數值地形模型展示 2 ...121
圖 5-7-15 三角網數值地形模型展示 3 ...122
圖 5-7-16 等高線展示（右上方視窗） ...122
圖 5-7-17 2D 視窗等高線展示放大圖 ...123
圖 5-7-18 選取地形要點作業進度 1/4 ...123
圖 5-7-19 選取地形要點作業進度 2/4 ...124
圖 5-7-20 選取地形要點作業進度 3/4 ...124
圖 5-7-21 選取地形要點作業進度 4/4 ...125
圖 5-7-22 編輯三角網作業進度 1/3 ...125
圖 5-7-23 編輯三角網作業進度 2/3 ...126
圖 5-7-24 編輯三角網作業進度 3/3 ...126
圖 5-7-25 誤差評估作業進度 1/3（誤差大小計算） ...127
圖 5-7-26 誤差評估作業進度 2/3 ...127
圖 5-7-27 誤差評估作業進度 3/3 ...128
圖 5-7-28 誤差回饋作業進度 1/3（誤差色階分佈） ...128
圖 5-7-29 誤差回饋作業進度 2/3 ...129
圖 5-7-30 誤差回饋作業進度 3/3 ...129
圖 5-7-31 成果展示作業：教師設定地形 ...130
圖 5-7-32 成果展示作業進度 1/3：學生測得地形 ...130
圖 5-7-33 成果展示作業進度 2/3：學生測得地形 ...131
圖 5-7-34 成果展示作業進度 3/3：學生測得地形 ...131
圖 6-3-1 中華大學南區地形圖展示圖 ...135
圖 6-3-1（續） 中華大學南區地形圖展示圖 ...136
圖 6-4-1 中華大學北區地形展示圖 ...137
圖 6-4-1（續 1） 中華大學北區地形展示圖 ...138
圖 6-4-1（續 2） 中華大學北區地形展示圖 ...139
圖 6-5-1 海濱地形展示圖 ...140
圖 6-5-1（續） 海濱地形展示圖 ...141
圖 6-7-1 數值地形測量交叉測試架構 ...142
圖 6-7-2 TIN 實習成績實驗組與對照組柱狀圖...143
圖 6-8-1(a) 講習會實況 1...144
圖 6-8-1(b) 講習會實況 2 ...144
圖 A-1 系統主畫面圖（以中華大學南區地形為例）...164
圖 A-2 2D 地圖畫面與地形要點座標紀錄視窗圖...164
圖 A-3 功能鍵列放大圖 ...165
圖 A-4 功能鍵列功能 ...165
圖 A-5 檔案下拉式功能表 ...166
圖 A-6 系統的互動模擬機制 ...167
圖 A-7 範例主畫面 ...168
圖 A-8 執行 ICALS 系統主程式圖 ...168
圖 A-9 選取地形要點系統顯示情形 1/4 ...169
圖 A-10 選取地形要點系統顯示情形 2/4 ...169
圖 A-11 選取地形要點系統顯示情形 3/4...170
圖 A-12 選取地形要點系統顯示情形 4/4 ...170
圖 A-13 選點完成後 2D 視窗各地形要點之分佈情形...171
圖 A-14 選點完成後座標記錄視窗...171
圖 A-15 刪除地形要點圖 1/2 ...172
圖 A-16 刪除地形要點圖 2/2 ...172
圖 A-17 編輯三角網系統顯示圖 1/3 ...173
圖 A-18 編輯三角網系統顯示圖 2/3 ...174
圖 A-19 編輯三角網系統顯示圖 3/3 ...174
圖 A-20 刪除三角網系統顯示圖 1/2 ...175
圖 A-21 刪除三角網系統顯示圖 2/2 ...176
圖 A-22 色階圖自訂誤差正負差距值與地形誤差展示...176
圖 A-23 地形誤差展示 2D 放大圖...177
圖 A-24 三角網編輯完成後之誤差均方根...177
圖 A-25 教師建構的地形模型 ...178
圖 A-26 學生在虛擬實習作業中建構的地形模型...178
圖 A-27 貼圖模式 ...179
圖 A-28 貼圖模式與中空模式圖 ...179
圖 A-29 三角網數值地形模型展示...180
圖 A-30 顯示評分區域圖 ...181
圖 A-31 顯示三角網顏色圖 ...181
圖 A-32 2D 視窗放大鏡展示圖...182
圖 A-33 2D 視窗顯示格線展示圖...182
圖 A-34 2D 視窗等高線展示圖...183
圖 A-35 2D 視窗顯示地表種類材質展示...183
圖 A-36 山脈區場景 1 ...184
圖 A-37 山脈區場景 2 ...184
圖 A-38 丘陵區場景 1 ...184
圖 A-39 丘陵區場景 2 ...184
圖 A-40 海濱區場景 1 ...185
圖 A-41 海濱區場景 2 ...185
圖 A-42 中華大學北區場景 1 ...185
圖 A-43 中華大學北區場景 2 ...185
圖 A-44 中華大學南區場景 1 ...186
圖 A-45 中華大學南區場景 2 ...186
圖 A-46 中華大學南區難度中場景 1...186
圖 A-47 中華大學南區難度中場景 2...186
圖 A-48 中華大學南區難度易場景 1...187
圖 A-49 中華大學南區難度易場景 2...187
圖 B-1 系統主畫面圖（以中華大學南區地形為例） ...189
圖 B-2 2D 地圖畫面與地形要點座標紀錄視窗圖 ...189
圖 B-3 功能鍵列放大圖...190
圖 B-4 功能鍵列功能...190
圖 B-5 檔案下拉式功能表...191
圖 B-6 系統的互動模擬機制...192
圖 B-7 編輯部分三角網時之誤差均方根 1/2...193
圖 B-8 三角網編輯完成後之誤差均方根 2/2...193
圖 B-9 誤差設定±10 公尺誤差色階圖...194
圖 B-10 誤差設定±1 公尺誤差色階圖...194
圖 B-11 2D 視窗放大鏡展示圖 ...200
圖 B-12 練習題完成後畫面...200
圖 B-13 任意選取製造方塊座標圖...201
圖 B-14 方塊編製完成圖...201
圖 B-15 任意選取製造建築物座標圖...202
圖 B-16 建築物編製完成圖...203
圖 B-17 任意選取製造車輛座標圖...203
圖 B-18 車輛編製完成圖...204
圖 B-19 選畢五點樹木座標視窗畫面圖...205
圖 B-20 樹木編製完成圖...206
圖 B-21 地表編製完成圖...207
圖 B-22 六種地表編製完成圖...208
圖 B-23 練習題全區展示圖 1...212
圖 B-24 練習題全區展示圖 2...212
圖 B-25 練習題三角網地形模型展示圖 1...213
圖 B-26 練習題三角網地形模型展示圖 2...213
圖 B-27 練習題等高線展示圖 1...214
圖 B-28 練習題等高線展示圖 2...214
圖 B-29 練習題地形展示圖...215
圖 C-1 系統光碟目錄圖...216
第一章 第一章 第一章
第一章 導論 導論 導論 導論
1-1 研究動機 研究動機 研究動機 研究動機
測量實習課程因教學需要均在戶外進行，然而礙於氣候不佳、地形限制及昂 貴儀器有限（如：全站儀、GPS…等），教學品質往往不甚理想，尤其是在團體 操作學習時，因整組施測作業，教師不易由繳交成果中評斷出學生個人參與深度 及學習效果，故造成教師無法針對個別學生提出學習缺點與立即給予回饋的盲 點。
而在本系統數值地形虛擬測量主題方面，因現地實測範圍極為廣泛，且地形 要點選取數量與代表性影響地形測出品質甚鉅，故一般傳統教學法，教師需帶領 每一組別學生，數次的在施測範圍內一一講解，並在內業三角網選取編製地形圖 時，因無法環顧每一位同學是否對三角網觀念有充分的認知與編製三角網技能優 劣，只能在期末成績作業整組繳交時，給予整體組別相同成績，無法對學生以此 主題給予個別發掘問題與評分，為教學上無法對個別學生成績評估的一大難處。
測量實習為土木建築及相關科系之基礎必修課程，教學項目大致區分為 1.
學生個人儀器操作學習：主要是練習使用「全站儀」。2.分組（4~6 人）地形測量 實習：一般均分成二學期，每週三小時教學。然而，近年來，土木建築課程為因 應時勢所需，學生所需學習的課程更多元，原有課程授課時數被精簡，測量實習 課程已有被壓縮為一學期，共 18 週，每週三小時教學的趨勢（如表 1-1-1）。因 此在教學上必然因過於倉促，而無法使學生獲得良好的學習效果。以下就測量實 習的主題介紹。
1.導線測量
於地面上佈置若干點，測量各點間之距離及各點連線間所成之水平角，以確 定各點平面位置，具控制作用者之測量方法稱為導線測量（Traverse Surveying），
其所佈置之點稱為導線點（Traverse point）。導線點常為測繪平面圖、地形圖、
地籍圖及其他各種工程圖籍之稱為圖根點或控制點（Control point）。導線測量之 分類為閉合導線（Closed traverse）、附合導線（Connection traverse）、展開導線
（Open traverse）、導線網（Traverse network）（江宗原，2005）。
學習重點為訓練學生選擇導線點的原則、導線的分佈與導線的連線。
2.數值法平面圖測量
數值法之平面圖測法可分為：
（1）直接座標測量（全站儀）
以全站儀進行直接座標測量，可以自動記錄儲存，並連以電腦計算、繪 圖。
（2）間接座標測量（經緯儀與電子測距）
以經緯儀與電子測距儀進行間接座標測量，以人工紀錄儲存，再輸入電 腦計算、繪圖（陳世峰，2003）。
學習重點為訓練學生地物選點原則。因當學生在進行施測時，對於地物選擇 的判斷取捨，往往會以施測難易度為考量，而導致選點的錯誤，例如在屋角與屋 簷施測時選擇了屋簷、道路施測時在曲度較大的彎道選擇了非彎曲關鍵點等。這 些取捨與平面圖之比例尺有關，比例尺越大則選點越多而地物越精緻，比例尺越 小則選點越少而地物越粗略。
3.直接法地形測量
等高點法（Trace-contour method）係於測定地面上諸等高點之位置，而以曲 線連接之，即得該高程之等高線。
學習重點為訓練學生選擇等高線轉折點原則。等高線點位取捨非常重要，因 所定得之點位越多則所繪製之地形圖越逼真、精度越高，但選擇過多的點位又過 於耗時費力，故如何以最少的點位達到最好的等高線結果，為重要的學習要領。
4.間接法地形測量（不規則三角網）
為本系統研究的主題。不規則三角網法中的三角網，代表連續資料的二度空 間資料（例如地形資料）的資料結構。不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN ）的佈點密度可隨空間的複雜度之不同而改變，因此，地形上的 劇烈變化亦可以有效的加以表示。例如坡度變化處（山頂、山窪、山崖、山腳、
山脊和山谷等地形線）（葉怡成，1999）。
學習重點為訓練學生選擇地形要點的原則。因在現場施測中，所獲得的都是 一些點位的觀測資料，故無法於現場檢核高程點之取樣是否具備有代表性，因此 在地形要點的選取，便為必須加以注意的要務。
表 1-1-1 傳統與精簡測量實習表 傳統測量實習課程安排
傳統測量實習課程安排 傳統測量實習課程安排
傳統測量實習課程安排表表表 表 精簡測量實習課程安排精簡測量實習課程安排表精簡測量實習課程安排精簡測量實習課程安排表表表 學期
學期 學期
學期 上學期（18 週） 下學期（18 週） 一學期（18 週）
項目 項目 項目 項目
個人儀器操作學習
（使用「全站儀」為主）
1. 水準儀測量 2. 距離、角度測量 3. 直接法座標測量 4. 間接法座標測量 5. 座標測設
分組地形測量實習
（每組 5~6 人）
6. 導線測量
7. 數值法平面圖測量 8. 間接法地形測量 9. 直接法地形測量 10.衛星定位測量
個人儀器操作學習
（使用「全站儀」為主）
1. 水準儀測量 2. 距離、角度測量 3. 直接法座標測量 4. 間接法座標測量 5. 座標測設
分組地形測量實習
（每組 5~6 人）
6. 導線測量
7. 數值法平面圖測量 8. 間接法地形測量 9. 直接法地形測量 10.衛星定位測量
測量儀器為高單價設備，在學校經費有限下，儀器採購數量往往有所限制，
學生經常只能在課堂上或戶外團體分組操作儀器，造成每位學生所分配操作時間 過短，再加上成績為團體計算，學生常發生至學期末還無法獨立操作儀器的窘 境。所以，如何使用現有的教學資源克服這些難以避免的教學障礙，使學習效果 提高，是值得加以研究的課題。
今日不斷更創新的教學方法（遠距教學、網路教學、線上教學、虛擬教室...
等）和日益精進的教育工具（視聽教學、電腦輔助教學、超媒體互動學習模式...
等）融合而成新興的學習教材，此種教材的革新打破了傳統的學習藩籬，也使教 學內涵隨著時代與科技的躍進，提升到更深廣、更開放與更多元的境界。統教 學與互動多媒體教學在測量學教學方面之比較如表 1-1-2 所示。電腦輔助教 學（Computer-Assisted Instruction，CAI）是近期常被使用在教學上的輔具之一，
但早期的電腦輔助教學是使用圖像與動畫來進行教學，並在一些簡單的問答中灌 輸課程的概念，這對早已接受豐富多媒體的學生來說，過於簡單的互動式教學媒 體亦會過於枯燥，已經無法達到學生的需求，且測量儀器為複雜之設備，僅靠簡 單的圖像與動畫來教學是不足夠的。為改善上述狀況，本研究採用近年來熱門的 虛擬實境（Virtual Reality，VR）技術來進行電腦輔助教學，建構一虛擬實習環 境，在電腦上反覆操作虛擬的測量儀器，將其帶入多元的教學系統，以激發學習
者的求知興趣，讓「教」與「學」做到有效的互動。虛擬實境更是近年來被許多 學者認為具有潛力的教學工具。然而，虛擬實境應用在土木的測量實習領域上卻 極少見，但測量實習具有視覺化、三維化的特性，又有非常受天候、時間、場地 限制的特徵，是一個非常適合虛擬實境教學的課程。
所以，如何結合現在運用越來越廣泛的虛擬實境技術來改善測量實習所遭遇 的的難題，並提出一創新性、獨特性和低價性的 VR 學習系統，使測量實習有了 別於傳統學習與教學的數位學習方式，將教室、現場與電腦成功結合為一虛擬實 習環境實在為可值得研究的課題，
表 1-1-2 傳統教學與互動多媒體教學在測量學教學方面之比較表（江宗原，2005）
比較項目比較項目比較項目
比較項目 傳統式教學傳統式教學傳統式教學傳統式教學 互動式多媒體教學互動式多媒體教學 互動式多媒體教學互動式多媒體教學 學習方式 學習者被動地吸收知識。 學習者主動地建構知識。
學生活動 學習者複製老師授課內容。 學習者在遊戲中產生互動。
教學方式
以講義、圖片說明。
以口述講解。
以黑板繪圖或文字講解抽象概
念。
學習者於任何一台電腦上進行上機
學習。
教學者從旁輔助學習者上機學習。
學習者透過遊戲方式增進學習興趣。
學習流程 講師口述→考試→回饋→知識。 情境學習→操作系統→學習→知識。
優缺點比較
學習者程度不一，教學者不易教
學進度。
學習者必須跟上教師進度，部分
學習者無法跟上進度。
學習者通常只能依據上課時的講
義、課本學習。
學習者處於被動吸收狀態，無法
主動學習。
教學中會出現重複性高或是內容
較沉悶的情況。
個別化教學，教學者容易掌握教學進
度。
一人一機制度，不會發生因為擁擠而
無法學習之問題。
學習者可在課後獨自於家中電腦複
習上課內容。
學習者可無限次的進行操作練習。
學習者可依自行學習效果調整學習
進度。
透過互動式媒體，以遊戲方式教學。
1-2 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的
測量實習教學乃土木相關科系的基本學科，也是相關專業領域養成的重要基 石，其具有視覺化、三維化、天候影響、施作時間限制與場地限制等特點，是一 個非常適合虛擬實境教學的課程，如能結合虛擬實境應用於輔助教學上，實為傳 統教學上之一重大突破。
在傳統的測量實習教學裡，教師要在起伏不定、混亂無章的地形中講解選擇
地形要點的選取技巧及編輯三角網的原則，往往需要很大的功夫，而且未必每位 同學都能了解其中的知識。而上述等因素，造成學習班級教學時的進度落後，或 是教學品質控制不易諸多的問題產生；該如何克服這些人為無法控制的因素，進 而把教學個人化、活潑化、互動化，結合虛擬實境電腦輔助學習系統為可扮演起 重要之角色。
本研究目的在於建構「數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統」，提供 學生完整的虛擬戶外實習環境，使學習過程不再受儀器、時間、地點、氣候所侷 限，讓學習者主動地引發興趣、增加學習效果，並提供學生互動化、個人化、三 維化的學習過程，以及計量化、個人化、即時化的學習回饋，突破傳統教學方式 的束縛。系統的使用流程分成 1.選取地形要點作業 2.編輯三角網作業 3.誤差評 估作業 4.誤差回饋作業 5.成果展示作業。期能藉由本學習系統與傳統教學相輔 相成，使學習者獲得最大的幫助，改善以往傳統教學所無法突破之囹圄。
1-3 研究方法 研究方法 研究方法 研究方法
本研究方法主要可分成大四部分：
1.系統分析
探討系統內各教學功能需求與應達成目標，並對系統所需功能與流程加以設 計，使本系統在學習者使用時，能按步驟在設計者與教學者所規劃的流程中，完 成所有預期設定的學習程序、主題與技巧。
2.系統設計
將分析出的系統功能目標，設計如何以擬真與流暢的方式，結合虛擬實境來 展現系統所欲呈現的互動畫面。並對各項系統功能，設計詳細的作業流程，作為 實作時的重要依據。
3.系統實作
經由上述系統設計的要求下，擇一適當設計軟體作為系統各項要求的建構工 具，並在系統資料庫中，輸入實際測量現場已得的正確三維座標，完整建構出虛 擬實境教學環境模型。
4.系統評估
系統建構完成後即進行系統問卷意向調查、系統操作評估、講習會與專家深 入訪談。在系統問卷、講習會方面，重點為了解使用者在操作過系統後，發掘系 統相關問題與建議。在專家深入訪談方面，以具有教授測量實習課程教師使用本 系統後，提出專家見解。在系統操作評估方面，重點為了解在操作過系統後與未 操作系統的實測能力差別，透過建立實驗組與對照組的方法，以學期成績作為評 估依據。
研究方法流程如圖 1-3-1 所示。
1-4 研究內容 研究內容 研究內容 研究內容
第二章文獻回顧，主要回顧國內外文獻與測量實習教學、虛擬實境、虛擬實 境在工程教育的應用與虛擬實境在測量教學的應用相關研究，並整理介紹虛擬實 境運用在相關學術領域與主題的研究，做為日後發展本系統重要參考。
第三章系統分析，主要為分析提出數值地形測量在實測與虛擬測量上所遭遇 的困難點，提出建構系統時所要求的各項系統功能達到目標，並提出適當的建議。
第四章系統設計，將得到的系統分析，逐步結合軟體建構系統。大至可分成 四個部分：
1.虛擬場景的數值輸入，系統讀取後建構模擬系統。
2.在模擬現場地形中，讓學生於 3D 場景中選擇地形要點。
3.利用已選取的地形要點編輯三角網。
4.自動計算出誤差均方根與誤差色階分佈圖，使學生可以立即了解自己的學習情 形。
第五章系統實作，主要在介紹系統完成建構後之使用介面、模擬機制、虛擬 物件、虛擬實境實習場景庫、虛擬實境實習場景實例…等，並以豐富多量的系統 展示圖，呈現本系統所建構的模擬場景。
第六章系統評估，系統在建構完成後，為了能讓系統功能與成效更客觀的得 到測試結果，故將系統評估分成問卷意向調查、實驗法、講習會與專家深入訪談
四種。系統問卷意向調查、講習會與專家深入訪談為了解使用者與教學者在操作 過系統後，發掘系統相關問題與建議；實驗評估則運用實驗組與對照組的方法，
直接讓實驗組學生學習該系統，然後於期未再與對照組相互分析學習成效。
第七章結論，總結本研究結論，並對為來之研究提出建議。
圖 1-3-1 數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統研究方法流程圖 教學需求與擬定
系統分析
系統設計
系統測試
系統評估
結論與建議
第二章 第二章 第二章
第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧
本論文在研究上所需的背景知識有： 1.測量實習教學 2.全站儀 3.電腦輔助 學習 4.虛擬實境。相關文獻介紹如下。
2-1 測量實習教學 測量實習教學 測量實習教學 測量實習教學
1.全站儀
全站儀（Total Station）又稱電子速測儀（如圖 2-1-1），乃整合電子經緯儀、
電子測距儀、電子計算機及電子記錄器成一體之儀器。全站儀可以看成是：「全 站儀=電子測距儀+電子經緯儀+電子計算機+電子記錄器」。全站儀利用電子經緯 儀測角、電子測距儀測距、電子計算機計算座標。其讀數除可以自動顯示外，也 可傳輸給電子記錄器（電子手簿）。專用的程式可使該計算機完成自動數據紀錄、
簡單的數據處理、數據儲存等工作。簡單的數據處理功能包括把斜距、垂直角換 成水準距離和高程差；對實測距離加多項改正數；導線法、距離交會法、前方交 會法、後方交會法等計算。儲存在計算機內的數據可以通過介面輸給功能較大的 計算機，以便作進一步計算，並能通過室內計算機的周邊設備輸出結果。全站儀 儀器測得的數據也可以直接輸入功能較大的計算機，這樣幾台儀器同時與一台計 算機連結，可以及時進行計算，例如可以即時算得交會點的三維座標（陳安，
2006）。 2.導線測量
於地面上佈置若干點，測量各點間之距離及各點連線間所成之水平角，以 確定各點平面位置，具控制作用者之測量方法稱為導線測量，其所佈置之點稱為 導線點。導線點常為測繪平面圖、地形圖、地籍圖及其他各種工程圖籍之稱為圖 根點或控制點。導線測量之分類為閉合導線、附合導線、展開導線、導線網。學 習重點為訓練學生選擇導線點的原則、導線的分佈與導線的連線（江宗原，
2005）。
圖 2-1-1 TOPCON GTS-211D 全站儀（陳安，2006）
3.平面圖測量
平面圖測法可分為：
（1）直接座標測量（全站儀）
以全站儀進行直接座標測量，可以自動記錄儲存，並連以電腦計算、繪 圖。
（2）間接座標測量（經緯儀與電子測距）
以經緯儀與電子測距儀進行間接座標測量，以人工紀錄儲存，再輸入 電腦計算、繪圖（陳世峰，2003）。
學習重點為訓練學生地物選點原則。因當學生在進行施測時，對於地物選擇 的判斷取捨，往往會以施測難易度為考量，而導致選點的錯誤，例如在屋角與屋 簷施測時選擇了屋簷、道路施測時在曲度較大的彎道選擇了非彎曲關鍵點等。這 些取捨與平面圖之比例尺有關，比例尺越大則選點越多而地物越精緻，比例尺越 小則選點越少而地物越粗略。
4.地形測量
（1）直接地形測量
亦稱為等高點法，係於測定地面上諸等高點之位置，而以曲線連接之，
即得該高程之等高線。
在本研究中，因所欲訓練學生編輯較複雜的地形為學習重點，而不以訓
練等高線測量實習技巧為前提。故將地形圖等高線直接展示於本系統 2D 視 窗內，並可設定等高距，讓學生可以配合 3D 視窗，相互觀察了解變化狀況。
（2）間接法地形測量--不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）
數值地形測量的原理是以施測「不規則三角網」的三維座標來建構成數 值地形模型。不規則三角網於三角形之每個頂點有一高程值，由於三點即能 定一個平面（如圖 2-1-2），故將各高程點視為各三角形之頂點，即可組成 一個數值地形模型（葉怡成，1999）。
不規則三角網屬點模型之一種，Peucker 等提出以一組不規則分佈的樣 本點及其所圍成的三角面（如圖 2-1-2）來代表地形起伏。基本上一組三角 形面的單位包括節點（node）、線段（segment）和面（surface），節點是此 資料結構的基本元素，就空間上的分佈而言，應該是具有特殊意義的三個 點，通常可能為如山頂、稜線或邊坡等等面轉折的地方，其所記錄的內容為 位置及高度，就如三圍座標系統的（X,Y,Z）。三角網格點線段的位置，一般 座落於稜線及谷線的地區，其所表現的地形特徵為地形構造的脈絡。根據點 和線的交集所獲得的三角面所表現的即為獨立的邊坡單位，一個三角面具有 其所應表現的坡度及坡向。
謝明憲（1994）提出此模式具備較大的彈性，純以地形變化的程度來取 樣，在地形複雜區域取樣點可以較密集，所以兼顧不同的地形變化情況，因 此就資料的彈性及代表性來說，是最合適的數值地形模型儲存模式。而不規 則三角網因由一群不規則分佈的點在平面上所組成互不重疊的三角形面組 合（如圖 2-1-2），在資料結構上，因節點和邊線為緊密相關的一體兩面，即 邊線的兩端必為兩個節點，而組成三角形面的三個節點間又必有邊線相連，
故三角形面可以利用三個節點表示，亦可用三條邊線表示，同時節點與邊線 的關係可以相互推導而得，則可以根據資料使用的便利性選擇其一儲存以減 少資料結構大小。利用不規則三角網進行地形分析，因限於不規則三角網的 表現形式，地形分析作業常常需要多做一鄰點排序的演算步驟而運算速度緩 慢許多（薛維欣，1999）。
圖 2-1-2 不規則三角網（陳世峰，2003）
學習重點為訓練學生選擇地形要點與編輯三角網的原則。因在現場施測中，
地形要點的數目越多，當然對地形變化的擬真度越高，相對的也必須付出更多的 測量成本，而且因為在測量作業中，所獲得的都是一些點位的觀測資料，無法於 現場檢核高程點之取樣是否具備有代表性，所以在適當的地點佈設地形要點十分 重要。有了適當及適量的地形特徵要點後，將其編輯成接近現實地表起伏情形的 不規則三角網也是重要的工作，而三角網編輯方面，三角網編輯是否恰當與數量 的多寡也是影響數值地形測量的成敗關鍵，故如何透過軟體教學系統提升學習者 此一測量主題學習認知，為本文研究的重點。
2-2 虛擬實境 虛擬實境 虛擬實境 虛擬實境
1.虛擬實境的定義
虛擬實境的基本定義為虛擬實境必須是一個由電腦所產生的三度立體空間
（嚴子翔，2001）；即藉由人機介面模擬實現環境中人類感官所能感受到的刺激 反應（許秀影等人，2000）。使用者可以和這個空間的物件進行交談，除了觀看 外還可以操作其中的部分物件，並可在空間中隨使用者的意志自由移動進而產生 相當的融入感及參與感。
簡單的說「虛擬實境」就是透過電腦軟、硬體及各種周邊設備，如立體眼鏡、
態平台等，讓使用者能身歷其境地融入電腦的世界中（許秀影等人，1997）。
2.虛擬實境特性
虛擬實境必須掌握以下這五個特性（嚴子翔，2001）：
（1）由電腦產生。
（2）是個 3D 立體空間。
（3）可以和這個空間的事物進行交談。
（4）可以隨使用者的意志自由的遊移。
（5）要有融入感及參與感。
Burdea 提出 VR 必須滿足三個基本要求（嚴子翔，2001）：
（1）沈迷度（Immersion）
當為了一件事情沈迷投入時，會達到渾然忘我的境界，完全無視於外界 的環境，虛擬實境就是借助這項心裡讓人擺脫現實環境的壓力，讓人自然 而然地的融入電腦所模擬的虛擬世界。
（2）互動性（Interaction）
因為真實的世界中，人可以與周圍的環境互動，例如：抬頭可以看到太 陽、白雲、可以和行人打招呼...等。所以虛擬實境就是要把這種人與環境 的互動性，加入虛擬世界中讓虛擬世界更為真實。
（3）想像力（Imagination）
人類就是有類似天馬行空的想像力，才創造了今日的世界。虛擬實境就 是想藉著人得想像力，將虛擬實境和真實的事物（例如：人）聯想一起，
好比一個雖然沒有到達大英博物館，卻可以透過網際網路去瀏覽參觀虛擬 的大英博物館。
3. 電腦模擬、電腦動畫與虛擬實境相互間關係（陳郁雯，2003）
早期電腦的使用，大多以資料計算、文字處理為主，然而隨著科技的發展，
電腦模擬的技術也日益精進，模擬軟體兼具文字、聲音、圖形、影像、動畫與互 動的功能，讓電腦成為多媒體的學習環境。林秀美（1998）指出電腦模擬可以是
一個動畫式的簡單圖解模型，也可以是複雜的飛行模擬器，而虛擬實境可說是目 前電腦模擬領域裡的最高境界。虛擬實境是資訊科技進步下的產物，其結合電腦 繪圖、電腦模擬，與人機介面（human-computer interfaces）等技術，並加入頭戴 顯示器、位置追蹤器、數位手套等裝置，讓使用者能夠沉浸在模擬的情境之中，
而資料運算式動畫就是使用在虛擬實境中的一項技術。
電腦模擬、電腦動畫、虛擬實境三者具備下列幾個共同點：
（1）模仿真實的事物或現象
電腦模擬是提供一種複製的情境或現象；電腦動畫是模擬物體的動態；
虛擬實境是由電腦模擬真實的情境，並能模擬人的知覺（包含視覺、聽覺 與觸覺）。
（2）互動性
電腦模擬與虛擬實境皆重視與學習者間的互動，在互動過程中，學習者 可以在情境裡扮演某種角色，並擁有部分的控制權，然而電腦動畫雖不強 調互動性，但由於資料運算式動畫是依照電腦或學習者的指示，而展現出 動畫的效果，因此資料運算式動畫與學習者間仍有互動產生。
（3）包含一個模式，此一模式會經由學習者的操控而產生改變
在虛擬實境中，使用者可以即時的遊走，並獲得立即的回饋，而資料運 算式動畫會依照使用者輸入的變數值，而產生變化，上述兩者的「即時性」
是由於模式的改變。因此，電腦模擬、虛擬實境與資料運算式動畫三者最 主要的共同點就是皆包含一個模式，而此一模式會經由學習者的操控而產 生改變。
此外，不論是電腦模擬、虛擬實境，或是電腦動畫，三者都適合運用在抽象 的、不易觀察的、或是需要長時間觀察之事物或現象的學習上，並提供一個直接 學習、經驗的機會。然而，三者之間的差異在於，虛擬實境強調使用者的沉浸度，
因此利用多重感官的技術、三維的空間，讓使用者有身歷其境之感；資料運算式 動畫僅強調視覺上的模擬，藉由動態的圖解，以提供教學上視覺的幫助；而電腦 模擬並不強調感官上的體驗，而重視學習者將此一模式內化，並發展出自己的一 套模式。倘若是桌上式的虛擬實境技術，由於缺乏自然的人機介面輸出入裝置，
因此與資料運算式動畫或電腦模擬間的差異就更小了。
值得注意的是，Alessi 與Trollip（2001）以缺乏內在模式（internal model）
與主要學習目標的理由，將電影（movies）、動畫（animations），和一些形式 的遊戲（games）排除在電腦模擬的定義之外，事實上，電腦動畫有「固定路徑 式動畫」與「資料運算式動畫」之分，其中，資料運算式動畫由於其高速的資料 轉換速度，經常被使用在各種模擬軟體、虛擬實境軟體當中。因此，資料運算式 動畫應該也屬於電腦模擬的範疇。根據上述討論，電腦模擬、虛擬實境與電腦動 畫相互間關係如圖2-2-1所示：
圖 2-2-1 電腦模擬、電腦動畫與虛擬實境相互間關係（陳郁雯，2003）
4.虛擬實境技術的種類（唐維灝，2004）
虛擬實境技術大致區分為三維立體模型建立、視覺輸出裝置以及為意念輸入 裝置等。經由「虛擬實境」的一系列計畫發展程序含事件架構與主題表現方式之 整體構思、故事發展之劇本編撰、物體模型與場景製作、硬軟體系統整合操控、
依時序與動作建立線上之操控點、描繪修飾、建立多媒體展示時之操控點與展示 等，而建構一個模型的真實世界，人類可以利用輔助的周邊設備與虛擬場景進行 功能互動，進而達到學習、控制與模擬等特定目的。虛擬實境依使用的技術不同 而可分成幾何式虛擬實境、影像式虛擬實境、混合式虛擬實境三類：
（1）幾何式虛擬實境（Geometry-based VR or Graphic-based VR）
此種形式的「虛擬實境」是架構在所有場景與事件皆由 3D 模型模擬建 電腦模擬
虛擬實境 電腦動畫 電腦動畫 資料運算式
置而成，故具有高度的互動性，且可讓操作者於使用時可以仿若置身其中，
因為每一個物件皆真實存在場景中，所以非常容易設定其行為與互動方 式，但因為場景中每一個物件皆由 3D 模型建構而成，所以場景中每一個 動作皆必須經由許多複雜的「計算」才能夠得到。
（2）影像式虛擬實境（Image-based VR）
「影像式虛擬實境」其製作方法較為簡單，在想要製作場景的地方規劃 好要拍攝的景點，然後於各個拍攝點架設好照相機以此為圓心，每隔十五 至三十度的角度拍攝一張照片，每張照片需有部分重疊，依此方法拍攝全 場景，然後將這些照片經過特殊的軟體加以縫合，那麼我們就可以得到一 個全景影像了。雖然「影像式虛擬實境」有著製作簡單的優點，但由於是 經由軟體縫合的一張全景影像，這樣的場景自然就缺乏景深，而導致整場 景的立體感不足，此外場景中的物件均由拍攝而得，所以就沒有「互動性」
可言，再加上對於實際上不存在的物件無法呈現亦是其致命傷。
（3）混合式虛擬實境（Hybrid VR）
上述「幾何式虛擬實境」與「影像式虛擬實境」，雖然各有特色但卻無 法提供完整的解決方案，而「混合式虛擬實境」就具備了其二者之優點成 功的整合「互動性」與「真實性」，成為 VR 應用技術之新主流。「混合式 虛擬實境」只需要如同「影像式虛擬實境」拍下需要的場景經由縫合後，
便可於場景中依照我們的需求，加入其他不存在場景中的物件，並可設定 物件互動的行為，如此「混合式虛擬實境」就可以節省自建模型的時間，
就有真實性的場景。
在「幾何式虛擬實境」及「混合式虛擬實境」中，都必須建構 3D 模型 物件．然後依使用者實際需求，賦予建立 3D 模型物件其行為互動指令及 參數，以利使用者於「虛擬實境」的環境中可以有互動性之行為。3D 模型 物件的建立，必須有良好之美工專業技術，若要再賦予行為互動之指令及 參數，又必須具有專業之資訊技術，且許多行為是不容易製作的。所以在 軟體技術不斷的研發與演進的過程中，現今可以利用「動作擷取」（Motion Capture）技術，運用其內建各項 3D 模型物件、定位器與感知追蹤器裝備，
的程式了。虛擬實境依不同技術類型之優缺點比較如表 2-2-1 所示。
表 2-2-1 虛擬實境依不同技術類型之優缺點比較表（唐維灝，2004）
類型 類型類型
類型 優優優優 點點點點 缺缺缺缺 點點點點
幾何式虛擬實境
互動性高
可自由瀏覽
場景具深度與立體效果
真實程度不夠
場景製程難度較高
專業分工需求
受高速運算限制
影像式虛擬實境
製作迅速
場景真實
設備簡單
圖素易傳
互動等級最低
限於定點瀏覽
物件行為受限
立體感不足
混合式虛擬實境
具互動性
場景具真實性
技術要求較幾何式低
節省自建模型的時間
需良好美工專業技
需專業資訊技術
物件行為製作不易
5.虛擬實境的顯示方式（陳尚平，2001）
在 1970 年元旦，被視為「VR 之父」的 Ivan Southerland 先生發表了第一個 頭盔型顯示器（Head-Munted Display，HMD），在觀者移動時可即時改變所見的 景物。虛擬環境科技在近幾年來的快速發展下，因為輸入/輸出裝備的不同 VR 系統通常可分為以下六種：
（1）影像重疊系統（Image Overlapping System）
經由影像合成技術將使用者影像與預先作好的虛擬世界重疊在一起，便 可以看到人在虛擬環境中活動，但是此技術會限制使用者的活動區域（大約 3 平方公尺的範圍）呈見的影像在解析度和空間感上較差，但其色彩是最有 親和力的，因為其使所用得素材取其真實生活，多半以真人實影合成，且容 易提供全彩的效果，再者虛擬世界中的素材無須花費時間在製作 3D 模作 上，只要以攝影機隨手一拍可錄製真實的虛擬世界背景，可以廣泛應用日常 生活中的各種景觀。
（2）桌上型 VR 系統（Desktop VR System）
桌上型虛擬實境有著低成本、高解析度視覺效果，可利用個人電腦和低
階工作站進行模擬顯示，電腦螢幕即為觀賞虛擬實境的視窗，同時並可利用 電腦周邊設備來操控虛擬場景中的各種物體（圖 2-2-2）。桌上型虛擬實境缺 乏頭戴式顯示器的那種完全融入的功能，但是它比較普及，因為其成本低 廉，而操作者可以用鍵盤、滑鼠、搖桿、軌跡球跟資料手套等等。使得操作 者雖然是坐在電腦螢幕前面，但還是可以觀看 360 度範圍內虛擬環境。但由 操作者還是容易受真實外界的干擾，所以使得操作者不能完全融入虛擬的世 界中。此系統常用於行銷、設計教育及訓練課程等
圖 2-2-2 桌上型 VR 系統（陳尚平，2001）
（3）融入式 VR 系統（Immersive VR System）
融入式虛擬實境用特殊頭盔隔離外界（圖 2-2-3），由眼睛前方之小型螢 幕監控，透過顯現裝置分別模擬人類的左右眼的視覺效果，讓使用者看的景 物呈現立體效果，這種技術最大的優點在於它強烈的「身歷其境」的感覺，
一旦戴上並啟動這種顯像裝置，幾乎閉上眼睛、封住耳朵才能跳脫它所呈現 的虛擬世界，缺點是影像品質較桌上系統差。這套系統常用於娛樂事業、教 育訓練及醫療用途。
圖 2-2-3 融入式虛擬實境系統（陳尚平，2001）
（4）洞穴式 VR 系統（Ｃoncave VR System）
若在大型空間、多人觀賞虛擬世界時，就要採用這型式（圖 2-2-4）。此 系統是大型投影機的方式，觀賞者只要透過連線的 3D 輸入裝置即可參與其 中的互動，若需要加強臨場效果只需配戴輕型的立體眼鏡即可。此系統可做 為大型會議、展覽及娛樂事業之用。
圖 2-2-4 洞穴式虛擬實境系統（陳尚平，2001）
（5）網路 VR 系統（Internet VR System）
網路型虛擬實境系統即是透過整合網路與 VR 技術的功能來達到多人 在線上即時交談、會議與互動的效果。對於跨國企業各分公司之間進行協同 商務（Collaborated Business）的處理、跨區域性的商品行銷會議甚至產品的 協同設計與討論而言，這個系統提供了無限的發展空間，滿足無國界商業行 為的發展契機。
（6）模擬訓練系統（Simulator System）
這是最早發展出的 VR 系統，常見於飛行模擬，教育訓練等場所。應用 此系統的如：飛機、汽車、機車等模擬訓練機，以虛擬實境來模擬真實的機 件和裝備，藉由逼真的操作環境，讓學習的人感覺像在操作真實的機器一 樣，獲取寶貴的知識和經驗之後，再應用真實的環境中。
6.虛擬實境在輔助學習上的應用
虛擬實境在輔助學習上的應用可分成以下三部分（陳安，2006）：
（1）教學
由於虛擬實境的技術強調身歷其境，在對受教者所收到感官刺激的程度 而言，遠超過平面媒體的圖文訊息傳遞，對於課程主題的記憶及領悟有實 質加深的效果。
（2）訓練
情境因素為支持實作訓練的要件，藉由反覆的訓練將能降低實作時可能 衍生非預期的風險，虛擬實境技術可經由特定領域的專才參與，提供完善 而具體的演練程序，並由物件模型強化物的設計以刺激受訓者的正面反應。
（3）模擬
模擬係於虛擬實境應用中導入時間或獎懲的壓力，諸如即時動作、有時 限的任務執行等施訓需求、藉由互動性良好的人機界面，並讓予施訓者有 一定的發揮尺度與思考空間。
7.傳統教學與虛擬實境教學之比較（陳安，2006）
現行教育訓練頂多提供文字、圖形、聲音、動畫、影像等元素的結合，在「情 境認知」與「情境互動」等項因素的融入程度不足，無法使受教者感同身受，虛 擬實境技術應用於教學適足以將上述之缺點全部改善外，並結合「情境認知」與
「情境互動」等項因素的融入，讓教學環境與學員達成一定程度互動的教學目標 且具備即時雙向交流的目的。
虛擬實境技術應用於教學上僅需要電腦模擬系統的成本，相當符合經濟效 益；每位學習者可以自行控制系統訓練與操作學習，不需要教師在旁監督指導也 可以進行練習，即使操作不當也不用擔心會損害真實的設備系統；訓練場景可以
在虛擬場景中設定，可以有許多不同的場景狀況，學習者可以感覺到非常逼真的 情境，可以提高學習情緒，進而提升訓練成效；系統甚具彈性；很容易依照使用 者的需求做適當的修正，以符合使用者的期望；不受天候影響，隨時都可以從事 教育訓練；不曾受到教育場地不足的影響，即使在最偏遠的校區也可以使用；可 以用較低成本同時訓練很多人等優點。傳統教學與虛擬實境教學在儀器基本操作 方面之比較如表 2-2-2 所示。
表 2-2-2 傳統教學與虛擬實境教學在儀器基本操作方面之比較表（陳安，2006）
比較項目 比較項目 比較項目
比較項目 傳統式教學傳統式教學 傳統式教學傳統式教學 虛擬實境輔助學習教學虛擬實境輔助學習教學 虛擬實境輔助學習教學虛擬實境輔助學習教學 學習方式 學習者被動地吸收知識 學習者主動的建構知識
學生活動 學習者複製老師授課內容 學習者在虛擬實境中產生互動
教學方式
發講義內附圖片說明
教學者以口述搭配學習者以看 實物之方式，逐一步驟介紹操 作方式
學習者於設計過的情境中進行虛擬實 境教學
學習者於任何一台電腦上進行上機學 習
教學者從旁輔助學習者上機學習
學習流程 講師口述→考試→回饋→知識 情境學習→操控→學習→知識
優缺點比較
受天候影響
學習者可直接觀看實物狀況
學習者多，教學者不易教學進 度
教學者解說步驟時，只能操控 一部儀器，學習者會常有擁擠 或因距離太遠看不清楚教學者 解說之細節部分
學習者必須跟上教師進度，部 分學習者無法跟上進度
學習者通常只能依據上課時操 作來練習儀器，使用次數有限
學習者處於被動吸收狀態，無 法主動學習
學習者錯誤操作造成儀器損壞
不受天候影響
虛擬實境雖是模擬儀器狀況，但與實際 儀器尚有誤差存在
教學者容易掌握教學狀況
一人一機制度，不會擁擠而無法學習之 問題
學習者可在課後獨自於家中電腦複習 上課內容
學習者可無限次的進行操作練習
學習者可依自行學習效果調整學習進 度
學習者錯誤操作不會造成儀器損壞
2-3 虛擬實境在工程教學的應用 虛擬實境在工程教學的應用 虛擬實境在工程教學的應用 虛擬實境在工程教學的應用
張萬子、李興生與林弘場（2003）提出一套工程圖學網路學習系統，此系統
採取 3D 動畫解說圖學原理、運用虛擬實境提高使用者的臨場感與互動性，使原 本抽象模糊的空間概念及投影原理，變得更容易了解。系統的主要特色在於包括 結合電腦繪圖軟體、全面採取 3D 動畫解說圖學原理、運用虛擬實境提高使用者 的臨場感與互動性、每一主題皆建立完整的先備知識超聯結等。此系統可做為教 師教學的教材，亦可做為學生自學的電腦輔助學習系統。
鄭偉盛（2005）結合網際網路與虛擬實境技術建立了一個主從式的遠端教育 訓練系統。在電腦的伺服端模仿 Sodick Plustech 30EH 的微射出成型機，建立了 一個模型機台，而在伺服端之電腦上則建立了一個與模型機同步的虛擬機台，受 訓者從伺服端的電腦下達操作指令後，可以同時收看到由網路所傳送回來的機台 動作影像及電腦上虛擬機台的動作。藉著虛擬實境可以近距離觀測機台的特性，
受訓者可以獲得更佳的學習效果。本研究結合電腦資訊與網路技術成功建立一套 射出訓練平台遠端監控系統，客戶端透過遠端監控技術將控制參數傳送到連接設 備的伺服端，控制射出訓練平台，並且利用 CCD Camera 觀察設備實際的作動 情形。
蔡立展（2006）將 Virtools Dev 軟體與射出成型機結合，對射出成型機作 3D 虛擬仿真化，製作一套射出成型機的教育訓練虛擬教材。教學平台之設計分為兩 個部份：第一部份為虛擬實境訓練平台的建置，包括電腦輔助機構分析軟體與虛 擬實境軟體之整合；第二部份為虛擬實境訓練教材建置，由公司提供領域知識轉 成機台運作腳本，並設計操作者的人機介面，按照腳本在 Virtools Dev 互動軟體 中撰寫程式。透過此虛擬實境射出機操作訓練的協助，可以達到避免人員傷害或 儀器的損壞、降低訓練成本、提升學習興趣、增進學習效果及打破時空訓練限制 等效益。在此雛型基礎之下，未來還可繼續增進在遠端維修溝通平台與電子商務 方面的發展，擴大虛擬實境在產業界的應用。
回顧 1997-2008 年虛擬實境於工程主題訓練與學習的相關國內期刊論文（張 萬子等人，2003；方銘川，2004；鄭偉盛，2005；張郁靂，2006；葉怡成、李振 民、唐為灝、江宗原，連立川，2006；蔡立展，2006；李振民、葉怡成、陳世峰、
江宗原、連立川，2007；梁樹人等人，2007）如表 2-3-1 所示。其中與工程教學 直接相關者共八篇。
從表 2-3-1 中可看出近年來以虛擬實境應用相關期刊發表有日漸增多趨勢。
而當中以醫學模擬、普通教育課程模擬學習最為普遍。而在工程教育中，則以機 械或機具操作模擬最為發表主題，但在土木領域中虛擬實境被以研究工具為成果 來做相關發表者仍屬少數。因此，如何進一步結合虛擬實際技術於土木相關研究 的期刊文獻發表，為一個極有潛力的方向。
表 2-3-1 1997~2008 年虛擬實境於訓練與學習的相關國內期刊論文 年度
年度 年度
年度 姓名姓名 姓名姓名 期刊期刊期刊期刊 論文名稱論文名稱論文名稱論文名稱
2008 林保源
郝光中 大專體育 電腦虛擬實境在大專體育教學之應用
2007 陳玉欣
于富雲 視聽教育雙月刊 虛擬實境：輔助情境外語學習之科技
2007 梁樹人等 永達學報 發展放電加工之虛擬實境學習平臺及成效分析
2007 李振民等 視聽教育雙月刊 數值地形模型測量實習之虛擬實境學習系統
2006 梁樹人等 永達學報 駕駛訓練擬真學習環境之設計與建置
2006 葉怡成等 視聽教育雙月刊 全站儀操作虛擬實境實習系統
2006 陳明志 中國醫訊 臨床技能中心虛擬實境 淬練新手醫師
2006 洪祥偉
陳五洲 大專體育學刊 上班族肌力與肌耐力網路 3D/VR 學習系統開發之研
究
2006 洪祥偉
陳五洲 大專體育 模型式虛擬實境技術於運動學習之應用
2006 林子超
陳五洲 大專體育 虛擬實境應用於體育教學之探討
2006 張郁靂 CADesigner 虛擬實境在空間設計的數位輔助與應用
2006 蔡立展等 CADesigner 利用虛擬實境技術建構塑膠射出成型機訓練教材
2005 鄭偉盛等 龍華科技大學學報 虛擬技術於射出訓練平臺之應用
2005 林重宏
陳詩豐 龍華科技大學學報 虛擬實境技術輔助於視障者定向行動訓練之研究
2004 方銘川 工程科技通訊 船舶於波浪中之虛擬實境操縱模擬系統之研發
2004 張華安 臺北市醫師公會會刊 前庭功能失常的虛擬實境復健治療
2004 王華沛等 國教天地 虛擬實境在特殊教育教學之應用
2004 陳彥智
徐新逸 視聽教育雙月刊 模型式虛擬實境技術於中小學美術教育之應用
2003 張萬子等 國立虎尾技術學院學
報 結合電腦繪圖、動畫與虛擬實境的工程圖學教學法
2002 吳義達 中國海事商業專科學
校學報 遠距教學用網際網路虛擬實驗室導覽與教材研製
2002 胡植慶等 中學教育學報 九二一集集地震之虛擬地球科學教室
2001 溫嘉榮
林佳宏 教育研究資訊 不同認知型態的國中學生在虛擬實境學習教室中學
習歷程之研究
