虛擬實境系統 Introduction

介紹 『虛擬實境』就是由電腦無中生有出一個現實 的環境。簡單地說就是在電腦上建構一個虛擬 的世界，並藉由特殊的使用者界面讓人們進入 該虛擬世界中，使人們在電腦中就可以獲得相 同的感受，如同身處在真實世界一般。虛擬實 境的實現使我們可以「不出門而達到身歷其境」 的境界。

介紹 虛擬現實，或虛擬實境 (Virtual Reality) ，簡稱 VR 技術，也稱靈境技術或 人工環境，是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者 關於視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可 以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。使用者進行位置移動時， 電腦可以立即進行複雜的運算，將精確的 3D 世界影像傳回產生臨場感現 在的大部分虛擬現實技術都是視覺體驗，一般是通過電腦屏幕、特殊顯 示設備或立體顯示設備獲得的，不過一些仿真中還包含了其他的感覺處 理，比如從音響和耳機中獲得聲音效果。

配備，配件 頭盔顯示器 ﹝ Head-mounted Display ， HMD ﹞ 虛擬實境手套 3D 滑鼠 虛擬實境眼鏡 – 塑膠鏡片的眼鏡、液晶鏡片的有線眼鏡、以及液晶 無線眼鏡

實物應用 商業上用途： – 汽車內部的設計 工業上用途： – 生產線的模擬、汽車生產裝配訓練、汽車設計模擬、汽車碰 撞模擬 軍事上 : – 飛行仿真和作戰訓練 外科手術模擬及訓練之虛擬實境系統 : 娛樂 :

套裝軟體 Virtus WalkThrough Pro Sense8 WorldToolkit Superscape VRT VRML

3D 動畫 3D 塑模與擬真動畫為許多虛擬實境系統的基 礎, 因此本課程將針度對此議題作深入的介紹 完成 3D 動畫教學後將進行立體影片之製作及 簡易 3D 遊戲程式設計

3D 動畫常用軟體 MAYA 3ds max – 上述兩種軟體系統功能強大但所需軟體費用相當龐 大 Blender – 為功能完整的自由軟體, 功能完整, 所需花費 … 無價

熱門話題 : 立體顯示技術 資料來源 : 7%ab%8b%e9%ab%94%e9%a1%af%e7%a 4%ba%e6%8a%80%e8%a1%93%e7%b0%a 1%e4%bb%8b- %e4%b8%80%e3%80%81%e5%8e%9f%e7 %90%86%e3%80%81%e6%8a%80%e8%a1 %93%e5%88%86%e9%a1%9e/

3D 和 Stereoscopy 一般來說講 3D 的話，所指的應該會是電腦圖 學（ 3D Computer Graphics ），也就是透過 電腦，將 3D 模型這類的東西，繪製出來的技 術（參考維基百科）；最普遍的例子，就是現 在的 3D 遊戲了～所以其實單講 3D Display 要來描述立體螢幕，其實算是不夠充分的；要 講 stereoscopy 才是真正直指「立體」這項關 鍵。

立體視覺 人眼的視覺是可以感覺出深度的，也就是 「深度知覺（ depth perception ）」；而 有了深度的資訊後，才能判斷出立體空間 中的相對位置。 由於兩個眼睛的位置不一樣（一般人兩眼 間距約 5 到 7 公分），所以看到的東西會 有兩眼視差（ binocular parallax ），而人 腦會再將這兩個影像做融合 （ convergence ），而產生出立體的感覺； 而這就是所謂的「 binocular cues 」。

立體顯示技術的方法分類 需要配戴眼鏡（ with glasses ） – 主動式眼鏡（ active glasses ） – 被動式眼鏡（ passive glasses ） 彩色眼鏡（ anaglyph ） 偏光眼鏡（ polarizer ） 波長多路式（ wavelength multiplex ） 其他 – 頭戴式顯示器（ head mount display ） 裸眼式立體（ without glasses, autostereoscopic ） – 平面顯示器 空間多工（ spatial-multiplexed ） 分時多工（ time-multiplexed ）

主動式眼鏡立體系統 這一類的眼鏡主要就是所 謂的快門鏡（ shutter glasses ）。這種技術的基 本原理就是，在螢幕上會 以兩倍的頻率交互地顯示 左眼和右眼的影像，而眼 鏡則會去動態地屏蔽使用 者的左眼和右眼，在螢幕 顯示左眼影像時遮住右眼、 在螢幕顯示右眼影像時遮 住左眼，以此達到讓兩眼 看到各自不同的影像。

nVidia 3D Vision 他基本上也只是無線式的快門眼鏡 他在呈現效果的缺點是，在使用時， 所看見的亮度會降低許多；不過實 際上這也是大部分的立體顯示技術 都會有的共通問題。而在快門鏡系 統裡，這個問題主要的原因是因為 理論上，每隻眼睛看得到螢幕的時 間，都會變成原來的一半（因為一 半的時間會被遮住，只讓另一隻眼 睛看），所以亮度自然會降低。

被動式眼鏡立體系統：彩色眼鏡立體系統 常見的說法就是「紅綠眼鏡」 或是「紅藍眼鏡」

彩色眼鏡立體系統基本原理 就是先將左眼的影像和右眼的影 像，做顏色上的處理，比如說左 眼影像只留有綠色的資訊、右眼 影像只留有紅色的資訊；接下來， 再將兩張圖合併到一起，這樣就 變成了一張透過顏色來區隔左右 眼影像的立體圖片了 這種立體顯示方法在觀看時，顏 色的資訊是會被破壞得很嚴重的

被動式眼鏡立體系統：偏光立體系統 線偏光鏡就是透過特殊的結構，只允許在某個 特定方向振動的光可以通過，達到偏極化的效 果。下圖就是簡單的圖示

偏光立體系統 只要讓螢幕的左眼影像（綠色、標示 L ）都以在水平方向振動的 光來呈現，而右眼影像（粉紅、標示 R ）都以垂直方向振動的光 呈現，就可以同時獨立送出不同的左右眼影像。而接下來只要在 眼鏡的左眼放一片水平的線偏光鏡，就可以把垂直振動的光（也 就是右眼影像）給擋掉，只剩下水平振動的左眼影像；同樣的， 在右眼放一片垂直的線偏光鏡，就可以讓進入右眼的只有垂直振 動的右眼影像。

偏光立體系統 : 投影機的方案 I 搭配投影機使用的話，一般來說有兩種方法，一個是 架設兩台投影機、各自在前方安裝偏光鏡片後，再調 整好讓他們投影到同一個位置；如此一來就可以在同 一個位置，同時有不同方向偏振光的左右兩眼影像

偏光立體系統 : 投影機的方案 II 用一台高更新率投影機，依序送出左右眼影像， 然後在前方安裝一片可以配合投影左右眼畫面 頻率、切換偏振光方向的主動式偏光片

偏光立體系統 : 一般液晶顯示器 在液晶螢幕上在加上特殊的交錯式的偏光鏡，螢幕上 一半的畫素（ pixel ）顯示左眼影像、一半的畫素顯示 右眼影像。右圖就是一個簡單的示意圖，圖內的紅綠 藍三個一組就是一個畫素，紅色的區塊代表是垂直方 向的線偏光鏡、綠色的區塊則是水平方向的線偏光鏡

頭戴式顯示器 頭戴式顯示器的英文名稱是 head-mounted display ，縮寫是 HMD ；顧名思義，他就是設計成讓使用者可以直接把顯示器戴 在頭上來使用。一般來說，這樣的眼鏡，會在兩眼前方各自放一 塊小型的螢幕來作顯示 理論上因為是採用兩個獨立的顯示裝置（ LCD 、 OLED 、或是其 他裝置），所以可以非常完美地提供兩眼獨立的不同影像，而不 會有任何干擾；也因此這類裝置的立體效果是相當優異的

平面裸眼立體顯示系統 「怎樣在不用眼鏡過濾的情況下，讓兩隻眼睛看到不 同的影像」 目前的技術就是透過精密的光學計算、控制，讓左右 兩眼影像的每個畫素所發出的光線，只會射向空間中 的特定位置，進而讓觀賞者在特定的區域時，左眼接 受到的都是左眼影像、右眼接受到的都是右眼的影像 目前主要的方法，有「空間多工（ Spatial- multiplexed ）」和「分時多工（ time-multiplexed ）」 兩種

空間多工的平面裸眼立體顯示系統 使用 lenticular （透鏡）的 立體顯示器 技術就是透過在面板前方 放置經過精密計算、設計 的透鏡，來改變光線的方 向

空間多工的平面裸眼立體顯示系統 使用 barrier （屏障）的立體 顯示器 parallax barrier 的基本設計， 是在螢幕前再加上一些遮蔽 物，把部分方向的光遮住， 只讓某些角度的光可以傳出 去

時間多工的平面裸眼立體顯示系統 他的基本原理，主要是透過和主動式立體的液 晶螢幕一樣的 120hz 高速面板，交錯地顯示 左右眼畫面；不過由於在裸眼的立體系統裡， 沒有快門眼鏡可以來做左右眼的屏蔽，所以他 是使用背光元件來控制光線的方向。這方面的 技術，主要是使用 3M 的「指向性背光 3D 膜 （ directional back light unit 3D flim ）」來做 的

時間多工的平面裸眼立體顯示系統 這種類型的立體顯 示系統會有兩組背 光，分別給左眼和 右眼來使用；而由 於背光的模組經過 特殊的設計，所以 在使用不同背光模 組的時候，光線行 進的方向也會不同