行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
以虛擬實境進行產品設計的操作模式
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-011-068-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學工商業設計系
計畫主持人： 柯志祥
計畫參與人員： 林皇名、古孟軒
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 9 月 15 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
以虛擬實境進行產品設計的操作模式
A Wor king Model for Using Vir tual Reality in Pr oduct Design
計畫編號：NSC91-2213-E-011-068 執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 主持人：柯志祥 國立台灣科技大學工商業設計系
計畫參與人員：林皇名、古孟軒 國立台灣科技大學設計研究所
一、中英文摘要
本研究探討虛擬實境在產品造形設計上的應用，評估適當的軟硬體設備，所 能提供給設計師，在視、聽、觸覺上的感受，同時深入了解設計師的使用意向，
使虛擬實境能在未來，能成為繼電腦輔助設計後，另一個設計師的得力助手。本 研究分析目前設計師的作業方式、及其與電腦間的互動情形，以發現設計過程中 所存在的問題；進而提出在虛擬實境中，合理的解決方法，以期能促使設計師體 認到新科技優點，進而加以有效應用。虛擬實境的應用，有賴於如何能將設計師 的思考模式及使用模式，有效地整合於電腦系統中，設計師也更能感受到新的互 動式設計系統，所能帶來的高度靈活性與使用上的效益。
關鍵詞：虛擬實境、產品設計 Abstr act
This study explored the application of virtual reality to industrial design, and evaluated appropriate software and hardware that could provide designers with visual, audio and tactile experiences, on the basis of their practical intention. It was hoped that virtual reality of the future could become another powerful tool to designers other than computer aided design. This study analyzed designers’ working patterns and
their interaction with computers, to uncover problems in the existing design process.
It was possible that virtual reality could be a reasonable solution and designers could realize the advantages of the new technology and applied it effectively. The
application of virtual reality depends on how to integrate efficiently designers’
thinking and working practices into computer systems. Designers will feel its increasing flexibility and may be more motivated to enjoy the benefits of the new interactive design system.
Keywor ds: virtual reality, product design 二、計畫緣由與目的
虛擬實境和其他電腦系統最大的不同點，在於它以人為主的觀念。它可以成 為一個功能強大的視覺化工具，設計師可以用來探索、分析、創造和操縱三維的 電腦模型。它也可能成為對電腦輔助設計系統，越來越有助益的工具，使設計師 能評估設計、減少臨時的設計變更、甚至增加設計師的創造力。將虛擬實境應用 在設計上的好處在於，它可以提供設計師一個三維的虛擬空間，來充分探索設計 構想的潛力，並在構想具體化前，就可以評估三維的電腦模型。此虛擬空間是一 個藉由電腦所產生的非實質立體空間，使用者可以利用一些電腦輸出入裝置，和 這個空間中的物件進行互動，除了觀看外還可加以操控，並在空間中隨意自由移 動；電腦可以重現人類的感官經驗、及現實環境中人類所感受的刺激，讓使用者 不自覺地沈浸於電腦所產生的環境中，引發相當的融入感及參與感，進而形成人 與電腦間的新溝通模式。虛擬的概念在資訊科技的領域中，可看成是由電腦軟硬 體構成的虛擬系統，在功能上表現出真實系統的特徵，而虛擬系統的使用者或參 與者，必須遵循某種既定的模式，將真實系統的運作，建立在虛擬系統的基礎上。
無論設計師所設計的是何種產品，虛擬實境都可以提供全方位的協助，設計師可 以利用即時的功能，檢視模型各部位、改變組件、隨心所欲地達成一般電腦輔助 程式所無法呈現的結果；而設計師也可以變成消費者，親身體會產品的使用情 況，這些都不必再製作實體模型，減少時間及金錢的浪費。
傳統上，虛擬物體是由普通的三維模型軟體所建成，然而，藉由具有觸覺回 饋的 DataGlove 的幫助，設計師能夠直接在虛擬環境中建模型，如同在作真實的 模型一般。Virtual Technologies 這家公司也發展出類似的技術，稱為 CyberTouch 和 GesturePlus，來模擬使用者和虛擬世界間的接觸。這種互動式技術涉及到直接 操縱、手勢輸入和三維虛擬工具。雖然這些技術仍然在發展中，但是互動式的虛 擬環境將會在設計師和三維模型間，建立起更緊密的關係。
本研究以實驗為主，在經過相關文獻的探討及設計師訪談後，提出一套以產 品設計為主的虛擬實境操作模式，並測試受測者使用頭戴式顯示器時，利用不同 輸入裝置－一般滑鼠、空間滑鼠（Spaceball）與資料手套（Data Glove），在效率
（efficiency）、效能（effectiveness）及滿意度（satisfaction）上的差異，以量化 的方式，詳細分析受測者對此虛擬實境操作模式的各種意見，再歸納分析研究成 果。藉由在本研究所建構的虛擬實境場景中自由遊歷，並完成實驗所要求的任 務，以比較受測者的學習時間、任務完成時間、及正確達成任務的比例。在受測 者主觀的評斷上，以 Likert 五尺度量表為主，由受測者根據題項的描述，勾選出 自己同意的感受程度。受測者為 20–30 歲的一般電腦使用者，計 36 位，其中 12 位使用一般滑鼠，12 位使用空間滑鼠，另外 12 位使用資料手套，男女各半，
實驗進行所需時間約為半小時。
三、結果與討論
在實驗的第一階段中，讓三組受測者第一次自由的操作系統、瀏覽場景，以 熟悉一般滑鼠、空間滑鼠及資料手套的操作，並讓空間滑鼠及資料手套的受測 者，適應與一般滑鼠輸入型式不同的操控感，直到受測者自認已完全了解實驗場 景及輸入裝置的操控性，並由研究人員記錄受測者的學習時間。一般滑鼠組受測 者學習時間平均為 5 分 55 秒，空間滑鼠組的平均學習時間較一般滑鼠組長，為 6 分 53 秒，而資料手套組的平均學習時間為 7 分 39 秒，遠高於一般滑鼠組及空 間滑鼠組（見圖 1）。雖然學習時間的長短，可能與虛擬場景的複雜度及個人對 虛擬實境的熟悉度、學習能力及學習特質有關，但是由於資料手套組的受測者，
必須適應與一般滑鼠不同的操控方式，因此需要較長的時間學習，以熟悉使用環 境，才會有信心進行下一階段的實驗。
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一般滑鼠組 空間滑鼠組
資料手套組
圖 1：學習時間比較
實驗的第二階段，在原先的虛擬場景中，依序在不同地點，置入 5 個不同的 虛擬模型，藉由操控虛擬模型，指定幾個特定記號，讓受測者在綜合旋轉、移動 及縮放模型的過程中，熟悉控制方式。事先在 5 個模型的特定位置上，各藏置一 特定記號，受測者必須在 5 次的操作中，找出該記號，以便判斷其識別度。實驗 的操控方式不限，受測者必須綜合各種操控方式，以便快速找到記號所在，並正
確判斷記號的種類，以便完成任務。在完成任務的時間上，所有受測者最後皆能 達成所有任務，差異只是所費時間的不同、及可能曾經有錯誤。雖然每位受測者 在每項任務所花的時間不一，但整體而言，在完成所有任務所花的時間上，資料 手套組的受測者平均為 12 分 03 秒，空間滑鼠組的受測者平均為 13 分 01 秒，一 般滑鼠組的受測者平均為 14 分 20 秒，代表資料手套組所花的時間，明顯低於空 間滑鼠組及一般滑鼠組（見圖 2）。如果是以各別的受測者作比較，結果也是類 似，即使是動作最慢的資料手套組的受測者，其所花的時間也少於最快的一般滑 鼠組受測者。此結果顯示出，在虛擬實境中，一旦受測者適應資料手套及空間滑 鼠的操作環境，其在使用的效率上便會有顯著的提升，在長期使用下，足以彌補 學習上所花費較多的時間。
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一般滑鼠組 空間滑鼠組
資料手套組
圖 2：完成任務的時間比較
在任務完成的正確性上，資料手套組為 83.3%，一般滑鼠組為 86.7%，而空 間滑鼠組為 91.7%，三者的差異性雖然不大（見圖 3），但以空間滑鼠組的效能較 佳。此結果代表在本實驗的虛擬場景中，受測者會因為操作方式的不同，而在操 控模型的正確性上有差異。資料手套組所花的時間，雖然較其他操作模式少，但 在任務完成的正確性上，卻是三者中較低的。在實驗後的訪談中，受測者反應資 料手套的靈敏度較低，雖然可以很快的達成任務，但在辨識度上，卻由於無法很 準確地將模型定位，而較難清楚地看出特定記號，尤其是當任務較為複雜、或是 外在壓力較大時，則差異更大。空間滑鼠由於可以較為精確地微調至定點，因此 效能較資料手套為佳。受測者建議在使用資料手套時，能增加視覺輔助，並提高 操控上的精確度，如此將能提高資料手套的使用效能。
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一般滑鼠組 空間滑鼠組
資料手套組
圖 3：任務完成的正確性比較
實驗的最後，為一般滑鼠組、空間滑鼠組與資料手套組受測者的主觀評價，
包括覺得操作是容易學習的、功能是容易使用的、對系統的喜歡程度、是否會推 薦別人使用、及是否願意繼續使用。資料手套由於一般受測者較不熟悉、需要花 較長的時間學習、在使用的正確性上也較低，因此雖然可以較快地完成實驗任 務，但整體的滿意度並不高，僅 3.6。而空間滑鼠由於準確度較高、同時保有一 般滑鼠的操控特性，因而滿意度為 4.3，是三者中最高。一般滑鼠的滿意度為 3.9，
在三者中居中（見圖 4）。顯示受測者對於在虛擬實境中使用空間滑鼠，是抱持 肯定的態度。雖然這可能是因為受測者對空間滑鼠感到新鮮，但在經過一段時間 的操作後，逐漸體認到空間滑鼠的便利，尤其是在三維的虛擬實境場景中，藉由 更好的操控性，使受測者能在執行任務的同時，有身歷其境的感覺，也能更專注 地進行實驗。而資料手套雖然使用上較為自然，但與一般電腦使用習性不同，因 此仍有進一步改善的空間。
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一般滑鼠組 空間滑鼠組
資料手套組
圖 4：整體滿意程度比較
本研究發現，以使用性因素來評估空間滑鼠與資料手套，可以客觀地比較其 與一般滑鼠間的差異，也更可以看出其他人性因素在虛擬實境操作模式上的重要 性。就目前使用者的操作模式來分析，空間滑鼠是一個值得進一步探討的輸入裝
置，而資料手套在更加普及、操控上更加準確後，也是在虛擬實境中，相當方便 的一種輸入裝置。空間滑鼠與資料手套在使用上應該要佷方便、舒適，同時考量 使用者對空間的認知能力與操控程度，尤其是長期使用對人類肢體動作、方向 感、及其他生理與心理現象影響等，這些都是未來研究者可以努力的方向。同時 在實驗的人數、場景及任務的設計上，都可以再作修正，以使研究的結果能更有 代表性。
四、計畫成果自評
本研究探討在使用不同輸入裝置時，利用虛擬實境進行產品設計的操作模式 上，所產生的差異，除能使虛擬實境的相關研究更為深入外，所得到的研究結果，
可以歸納出以下幾點結論：
1. 由於受測者較不習慣使用空間滑鼠及資料手套，因此需要花較多的時間適應 與學習，在學習的時間上，分別是一般滑鼠組＜空間滑鼠組＜資料手套組。
2. 在完成任務所花費的時間上，無論是整體或個別比較，分別是資料手套組＜
空間滑鼠組＜一般滑鼠組，即資料手套組的任務完成效率較佳。
3. 在完成任務目標的正確性上也有所差異，分別是資料手套組＜一般滑鼠組＜
空間滑鼠組，即空間滑鼠組的效能較佳。
4. 在主觀的使用滿意程度上，以空間滑鼠組較佳，其次為一般滑鼠組，資料手 套組較差。
5. 受測者建議，在使用資料手套時，應增加視覺上的輔助，以提高任務完成的 效率。
6. 受測者建議，由於進行產品設計的過程中，需要各種不同的操作模式，因此 可以採用混合式的輸入方式。
本研究以虛擬實境的使用性因素為主軸，探討的主題有：虛擬實境的相關理 論、輸入裝置的應用層面、結合使用性與互動性的評估因素，藉此了解受測者在 利用虛擬實境進行產品設計時，在效率、效能與滿意度上的差異。本研究從使用 者的觀點，來探討虛擬實境的使用性因素，從因素分析中，列出主要的構面，並 進行特性探討，作為評估時的參考。
根據研究結果，可設計出符合設計師需求的作業模式，以統合現有的虛擬實 境資源，使設計師能更迅速且有效地產生優良的設計構想。在虛擬實境的協助 下，設計師可以完全融入設計中，可以改變設計、掌控設計流程，整個過程是即 時而真實的。如果設計師能善加利用虛擬實境中多媒體的特點，經過適當的空間 特性、條件設定、以及人機介面設計，就能創造出虛擬環境中的場所感。
在虛擬實境逐漸發展後，人與人、人與物間，產生新的互動模式，不再局限 於二維方式，因而產生許多新的研究課題，為了在不同的專業領域上，發展互動 技術，輸入裝置的應用研究，將不可或缺。以虛擬實境進行產品設計的操作模式，
是一項值得深入探討的課題及方向，因為唯有良好互動的使用環境，才能促使虛
擬實境能有更進一步的應用，擴大使用時的效率、效能及使用者滿意度。
