何謂虛擬實境

1. 何謂虛擬實境 • 虛擬實境顧名思義就是虛擬出一個環境，這個環境好像頁的一樣讓人無法分別。要虛擬出一個環境世界讓人感覺到與真實社會一樣，聽起來就覺得很困難，當然做起來問題就很多。這個問題含蓋了人類生物的認知方面，牽涉了電子、資訊、機械、生物-等等部門科技。而最早創作出來也是提出這觀念的是鼎鼎大名的科幻小說家威廉．吉布生，他透過小說「The Neuromancr』創作出這超次元空間(Cyber Space)概念及應用雛型，當然這只是在小說中紙上談兵。

2. 虛擬實境 • 虛擬實境(Virtual Reality)、人造實境(Artificial Reality)、超次元空間(Cyber Space)，這些都是指同樣的科技。而它的關鍵技術就是在於如何模擬創造出一個讓人看不透虛實，分不清真假的，人工環境，讓使用者腦中能感覺及認同這環境。 • 在分析這個問題前，讓我們先了解人是如何生活在這個社會的?著名的哲學家培根說過:(我思故我在)，這是一句蠻有哲理引人深思的話。基本上人與外界的聯繫互動，到最後都是透過腦的分析思考作為處理判斷分析的依據。所以有天當人無法思考時，那可真是地球人的悲哀! • 數位革命一書的作者認為1968年美國太空總署(NASA)所設計的模擬機是為虛擬實境的發展開頭。

3. 虛擬實境 • 而在腦與外界環境之間，人依靠許多與外界溝通的器官。如圖 1-1上所示透過眼睛人們感受這世界的風景、事物、顏色以及形狀，透過耳朵聆聽天下奇怪聲音、語言、透過嘴巴說出話與其他人溝通。腳走路到想去的地方-等等。一直到現在人類科學家對這些中間介質有些部份通不太了解，這部份構成虛擬實境研究發展上的鴻溝障礙。

5. 虛擬實境 • 如圖 1-2所展示的:虛擬實境這技術是將人的感覺蒙閉在虛擬界面中，透過虛擬界面(如3D立體眼銳、頭盔顯示器、超音波定位儀、資料手套、3D軌跡球、3D滑鼠等等)與外界事物互動作用。 • 虛擬實境是一種欺騙感官的技術，取代外界給感官的感覺，透過虛擬實境的儀器讓人沉迷感覺在虛擬的世界中。不過有時是用於真實的環境，比如核能電廠的維修方面。

7. 虛擬實境 • 在核能電場方面我做一個簡短的摘要說明，正如前面所說的科學家對人體某些感官功能不太了解，比如說眼睛部份。這就阻礙了人工影像辨識的發展。形像辨識由於發展的不成熟，所以工業應用上送是以人的眼睛判別為主。核能電場是高幅射的高度危險工作區，在日本是讓電廠工人透過虛擬實境的技術遙控遠端工作機器人，透過這種方法來推動核能電場的運作及年度的維修。在圖1-3是核能電廠工作流程的大概情況。

9. 虛擬實境 • 在這一節分成三個部份:首先是虛擬實境的歷史發展過程，『羅馬不是一天造成的』，虛擬實境這項科技也不是某一天就忽然發明出來。在這一節作一個科技的發展回顧，從這裏可以看到先人是如何畢路藍履的走到現在的發展下一節是虛擬實境專家見解，透過專家的想法讓我們了解的更深入、體會的更多，看看專家會不會有當局者迷的疏忽。最後二部份是簡單說明，這裏以簡單的方式為現在的虛擬實境應用下一個註解。

10. 歷史發展 • 從歷史上來看，大部份的文明科技都是循序漸進。當然虛擬實境也不例外，這項科技歷經了許多人的努力和等待許多新科技的產生，如果沒有 液晶(LCD)就很難作的出效果佳重量輕的顯示器。如果 CPU的運算能力沒有提高就無法作出即時的影像互動轉換。如果光纖不出現，現在網路上根本就產生不出 VRML等等的虛擬實境應用。我們要懷著感恩的心感謝前人的付出，在此作一些簡短的摘要，讓我們回顧這些設備，觀念的提出及標準制定的流程:

11. 歷史發展 • 1944 John Von Neuman提出並且發展數位電腦，利用電晶體取代真空管做為電腦發展的元件。如此一來大幅減少因為真空管燒壞的故障原因。 • 1956 Morton Heilig發明．Sensorama這是最早的虛擬實境的機器影像電影機。 • 1957 M.L.Heilig.申請套在眼珠前的螢光幕顯像器專利，是頭戴顯示器(Head Mounted Displap)的雛形。

12. 歷史發展 • 1958積體 IC研發成功，這項技術促成了LSI，VLSI的發展。讓積體電路的體積發展越來越小，功能越來越強大，為電腦設備的小型化，可攜性奠定了基礎。

13. 歷史發展 • 1963 Ivan Sutherland提出他的博士論文『素描板：一個人與電腦連線系統』為現在電腦圖學開創新頁。 • 1968 Ivan Sutherland發表套在頭上的3D顯示系統。美國國防部發展網路系統，建立了TCP/IP標準，促成了Internet在全球的蓬勃發展。 • 1971 英國公司Redifon開始利用電腦圖型顯示器製造飛機模擬器，開創利用電腦模擬飛行的首頁。Henri Gouraud提出博士論文『利用電腦顯示曲面』，使得曲線能夠表現在電腦繪圖上。

14. 歷史發展 • 1973 Bui-Tuong Phone提出博士論文『電腦處理影像的照明分析』，這使的擬真(Realism)的電腦圖學跨進了一大步。 • 1977 Dan Sandin和Richard Sayre發明彎曲感應手套。 • 1981 Tom Furness發表"虛擬機艙"模擬器。屬於Bell實驗室的G.J.Grimes申請資料手套專利。

16. 歷史發展 • 1982 Thomas Zimmermans利用光學原理製造手套，將光纖(fiber)的技術融入手套中。 • 1983 Mark Callahan在MIT製造能看和移動視角的頭盔顯示器。 • 1984 Wiliam Gibson在小說"NeuroMancer”提出虛擬空間的觀念(Cyber Space)。 • 1984 Mike McGreevy 和 Jim Humphries在美國太空總署(NASA)發展“虛擬的環境顯示系統”，把它應用在太空任務上。 • 1985 VPL公司成立，宣布“VR”世紀來臨，Mike McGreevy and Jim Humphries用LCD取代帶映像管(CRT)做顯示器。

17. 歷史發展 • 1987 Tom Zimmerman等人發展互動式手套。 • 1989 VPL及 AutoDesk推出商業化的戴頭顯示器．(Head Mounted Display)。AutoDesk在 SIGGRAPH89上發表以PC為平台的虛擬實境系統(VR CAD)。 • 1990 ARRL公司的J.R.Hennequin和R.Stone設計出具有觸覺感的資料手套。

18. 歷史發展 • 1994 Mark Spece等人制定 VRML l.0標準將虛擬實境帶上網路。 • 1996 Java風行的一年，在末來的影響是令人期待觀望的。

19. 專家說法 • 愛因斯坦說:『專家是訓練有素的狗』，不過專家在他的研究領域上學有專精，有他獨特的見解，讀我們看看他們對虛擬實境所下的定義看法。 • Burdea是美國新澤西州電子及電腦系教授，他的專長在虛擬實境的力回饋裝置(參考本書第三章)。他認為:『虛擬實境是一種高級的人機界面(ManMachineInterface)，這界面透過多種感應頻道產生即時模擬和互動。感應的方式有視覺、聽覺、阻力、嗅覺、觸覺-等等』。

20. 專家說法 • Martin Gobel是德國 Frauhofer電腦圖解數據運算處理研究所(FhG IGD)顯像化及電腦部門主任、歐體執委會虛擬實境專業顧問，他的專長在於高速電腦圖學、電腦數據模擬及虛擬實境，他認為:『虛擬實境這種概念是整合人與電腦所產生出世界的技術，作為下一代的人機介面，而虛擬實境也被認為是人類多出來的感官，就像視覺、聽覺、觸覺一樣。』。 • Joe Gradeck本身從事虛擬環境相關工作，他在自己所著的書上("The Virtual Reality Programmer's kit")提出:「虛擬實境是讓使用者從任何點或任意角度去觀察所虛擬出的世界，而這虛擬世界上的任何物體也能與使用者產生互動」。

21. 專家說法 • Superscape是英國一家生產虛擬實境整合系統的公司，它的看法是:『電腦模擬的一個三度空間虛擬環境，並在環境中提供各種感官的模擬，人們可以仿如置身於虛擬世界中活動。』。 • K.Eric Drexler:『在電腦和周邊設備(眼鏡，手套-等等)的結合運用下讓使用者置身在電腦模型(model)所產生三度的空間世界』。 • Henry W.Targowski:「讓人鉅細靡遺的感覺處理三度空間的結構，建築和資訊。』，『在目前，還是有一點像是及時(Real Time)的卡通味道』，『虛擬實境的本質是令人生畏的』。

22. 專家說法 • Howard Rheingold:『虛擬實境是一種新的革命性科技，讓人融入你所設計的電腦世界中(像房間，城市，整個宇宙太陽系或是人體內部內臟)。有了電腦手套的幫助，配合類似星際大戰的頭盔顯示器，再加上軟體的程式控制可以讓人去探索想像力的盡頭世界』，『在目前的應用上以建築，工程設計為主，而在未來將會大量運用在虛擬旅行，虛擬手術及虛擬性愛上面。在下一個世紀虛擬實境將會改變整個人類生活』。 • John Vince:『在這個神奇的世界中，任何可以被程式設計的東西都可以被模擬」。

23. 專家說法 • Bart Kosko:「虛擬實境是二種欺騙人類感官和心靈的電腦世界。虛擬手套使你感買到手在水裏，泥土或是蜂蜜中。虛擬服飾讓(Cyber Suit)你感免身體在在水裏，泥土或是蜂蜜中』。 • J.G.Ballard:『虛擬實境是人類革命的重要里程碑，這是人類第一次有機會拒絕真實的社會環境，並且去找尋另一種生活來替代』。 • John Perry Barlow:『也許虛擬實境只是人類古老神話中的自由許下三個願望的另一種翻版寫照，或許我們可以從虛擬實境得到出人意料的多的收穫』。

25. 簡單說明 • 直到現在虛擬環境這項科技所需要的技術有很多都沒有成熟，還需要等待現在科學家的耕耘播種讓後人來乘涼。而慶幸的在今日並不是光著身子在大太陽下研究使用這項科技，像電腦圖學的研究上就有很多成果可以馬上應用。 • 今天虛擬環境基本上大部份的進展還是建構在電腦圖學的發展上，而生物學家作過一份調察報告，人與外界的接觸有百分之七十是靠視覺。所以視覺的突破無論如何，這是一件值的慶幸的事。 • 所以在今日的科技環境設備下，虛擬實境只是仁能夠即時瞬間描繪出虛擬世界的3D影像的應用科技」，用這句話來描述現在的虛擬實境看起來也蠻貼切的，不過這樣子的描述缺伐未來的前瞻性及遠見。

26. 虛擬實境與電腦動畫 • 蘋果電腦的創始人之一 Steven Job創立了一家 Pixal公司，這家公司與狄斯奈合作用電腦立體動畫拍了一部電影"玩具總動員"(Toy story)。這部片子的賣座讓Pixal公司股票漲了好幾成，這部片子特別的地方是它完全用電腦模擬製作動畫，這是全球電影界的創舉，也是電腦動畫的令一個里程碑。而在此利用這部片子的製作過程來釐清虛擬實境與傳統電腦立體動畫的差別。

29. 虛擬實境與電腦動畫 • 從上面的圖形的介紹我們可以很清楚的知道:傳統電腦動畫製作就好像拍錄影帶再播出來一樣，缺乏讓人能主動的觀看場景的理化改變自己的視角的彈性。而且最主要的是傳統電腦動畫，它缺乏互動性。不過它圖形的逼真程度遠遠大於虛擬實境的圖形。這是由於虛擬實境要求即時瞬間馬上反應處理，所以用的演算法就得考慮這一項因素。在減少運算的情況下而減少了畫面的逼真度。 • 在表一引用 Superscpae的資料，這份資料歸納傳統動畫與虛擬實境的差異。從這個表，再看看電腦動畫的製作過程，可清楚的了解兩者的分別。

31. 虛擬實境與電腦動畫 • 一般動畫的處理上．物體的部份都沒有設定局性。但是在虛擬的環境中，就需要設定局性。比如像門和管這兩件物體在虛擬還境的設計中．門就會被設定成其有穿越的屬性，牆則是被定義成沒有穿越的同性。這種有屬性立體的模型有時候也被稱為智慧物件。

32. 生存器具與專業常識 • 這節提供有心想深入了解，應用虛擬實境的人士一些資料及需要吸收的必備常識，正如前面所說的虛擬實境這項技術牽涉很廣，不過現在在電腦圖像(Computer Graphics)為主流主導虛擬實境的應用發展下，了解虛擬實境的第一步就是去了解三度空間立體圖形，再來的話就看看本身的能力及專業目標，比如說立體聲音場擺設部份是跟聲學有關，力的回饋作用及物體形變這是應用力學材料力學的範籌。而訊息的傳遞又跟感測器與訊號線有關，所以想要深入完全了解虛擬實境是很困難的一件事。

33. 生存器具與專業常識 • 在這節分成三個部份討論:分別是興趣盎然的冒險家、開疆闢圖的專業人士、駐足欣賞的電腦玩家。 • 冒險家指的是有興趣想踏玩虛擬實境的人士，業人士是只從事本行業或想投入本行業的人們，電腦玩家是說業餘想玩玩寫寫虛擬實境程式的人物。