開發VR系統應用於向量空間運動軌跡之研究

摘要

本校與臺北市教育局成立全國第一間「3R(AR/VR/MR)科技教學導入專科教室」,因發展相關的專業特色,故本專題我們將利用全球應用最廣的實境開發平臺Unity 3D配合3D max製作AR/VR於物體向量於空間運動之軌跡系統之數位內容研發,並學習到Unity的技巧。因為跨領域是未來學生需要有的特色,本專題嘗試將數學理論結合資訊應用,配合圖像式與遊戲式的設計規劃其有效地數位內容營造出遊戲式引導學習。除上述開發工具外,預計再採購相關AR/VR系統載具模組設計與製作物體向量於空間運動之軌跡,研究其兩質點向量之合成、碰撞、內積、等相關作用的結果,將產生之軌跡透過觀測者於近身空間觀察,繪製相關函數曲線,並驗證課堂所學之抽象公式,且可以未未來學習者帶來不一樣的探究與體驗式的學習模式。最後,我們會帶學生設計其技術並配合統計軟體的分析,評估學習者利用實靜技術的學習成效與自我效能與學習成就之間具有相關性。將本專題計畫做有效的呈現,預計會將成果投稿至相關數位學習期刊。

壹、研究動機

近年科技日新月異、一日千里,虛擬實境(Virtual Reality,簡稱VR)和擴增實境(Augmented Reality,簡稱AR)技術逐漸蓬勃發展(賴崇閔、黃秀美、廖述盛、黃雯雯,民98年)。隨著APP手遊—Pokémon Go於2016年的抓寶風潮,在世界各地掀起一股旋風,而由 Facebook所收購的Oculus Rift和Valve公司所共同開發的HTC Vive,都是近年來借VR和AR技術而發展出來的硬體或軟體,讓本校對於這種頭帶式裝置用於現在學習課程知識的發想且未來實現在教育現場,因此想藉由AR/VR設計與製作出物體向量於空間運動的軌跡之研究,讓數學不再只是抽象的思考。講求知識經濟的現今,欲在競爭激烈的國際舞台上勝出,軟體產業的發展成了重要關鍵要素。過去研究已證實,程式設計教學可以培養學習者之邏輯思考及問題解決的能力(洪駿命、黃國禎、黃意雯,2012)。VR將是未來在教學上重要的應用,因為它能提供仿如真實世界般的視覺、聽覺等感官的模擬,如此將減少一層認知形式上的轉換,或是減少平面資料轉換成適合的心智模式時所產生的錯誤觀念(黃仁竑,游寶達,民84)。另外,虛擬實境所呈現的3D 擬真場景,讓使用者產生印象深刻的視覺或聽覺等效果,進而可以刺激整個大腦的學習(朱經明,民88)。AR/VR可以建立使用者的三度空間概念,減低2D的圖像需要轉換成3D物件的困難度,讓一般2D的圖像轉換成由使用者親身實地操作的虛擬實境,這將是科技與教育上理想的結合。
在教育方面,實境系統能讓學習者與學習教材進行互動,並提供學習者身歷其境的感受,同時也能提供學習者反覆練習的機會。如果一般的傳統教學能夠輔助實境進行教學活動,相信能提供給學習者一個更逼真、更具彈性、學習效果更好的學習環境。利用3R科技設計互動教材,在技術方面結合與3D視覺影像有關的科學,以輕鬆有趣的方式,引導人們從事數理實驗活動,使參與課程的學生都能收穫豐富,像參與遊戲般有趣易學,達到科學普及化的目標。

貳、研究目的及研究問題

(一)研究虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)概念及原理。
(二)探討分析虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)的相關應用。
(三)學習與設計物體於虛擬空間中之運動軌跡。
(四)製作製作向量空間運動軌跡並研究與驗證其對應之課程相關知識。

參、研究設計

一、 研究設備及器材

名稱 數量
AR2VR互動式導覽眼鏡 1套
Asta360環物攝影雲台 2組

(一) AR2VR互動式導覽眼鏡

AR2VR(互動式導覽眼鏡)的環景課程包: VR會讓學生產生身歷其境的感覺,在擬真情境中互動學習事半功倍。AR則可透過鏡頭結合真實情境與虛擬物件,激發製作創意。在專題課程中,可透過VR虛擬實境的體驗,讓學生提升探究的感受,透過3D的虛擬實境可以具象的了解實物在空間中相對的位置和作用結果,運用360度環景科技,可以預先模擬實驗過程,讓真正實驗時提高實驗成效以及更加熟稔實驗操作注意事項。

(二) Asta360環物攝影雲台

Asta 360 提供使用的iframe插入程式碼工具,複製程式碼,社群分享或貼上網頁就可呈現互動式環物圖。有別於一般的器材無法拍攝,即使拍攝出來也必須用專昂貴的軟體合成,Asta360環物攝影雲台是由同一鏡位多張拍攝同一物品的不同角度後,將 64 張照片合成一張能夠互動的照片。

開發VR系統應用於向量空間運動軌跡之研究

二、書籍

名稱 數量
快速掌握VR基本功:從概念到應用-使用Unity打造虛擬世界附影片教學與範例素材檔-適用Unity5.X 1本
輕課程 製作專屬你的AR擴增實境與VR虛擬實境 4本

三、研究過程或方法

研究方法

本次專題中,首先我們應該討論如何設定質點向量的碰撞相關結果,利用課程所學習到之向量相關結果,先定義 的量值為 | |,方向為θ(與正X軸夾角),而向量的合成可以幾何作圖法或坐標分析法表示(如下圖一與二)

向量合成

向量合成

而以坐標分析法向量的合成為:

公式

在計算相關合成的加與差後,進階延伸到向量的內積,設 a =(a1,a2), b =(b1,b2) ,則

 (a) a . b =| a || b |cosθ=a1b1+a2b2。
 (b) 若 a 與 b 皆不為 0 ,則

(向量與角度的關係)

在透過AR/VR Cording系統程式方面,我們上網找尋相關資料,並與國立宜蘭大學夏至賢教授合作應用3D max建立相關的圖形物件,配合Unity 3D的人機互動程式開發質點向量合成與內積於虛擬空間中之動態表現軌跡。最後,在製作出模擬質點向量之合成、碰撞與內積運算後,記錄其歷程變化,並帶入適當公式驗證其對應表現。

四、未來展望

從這次專題中可以知道如果想要完全融入VR之中必頇要有較好的電腦設備,而且想製作的話必頇要有一定的Unity 3D語言的能力,從它的設備開始一步一步開且軟體方面則不斷為各個使用者製造出完美且流暢的虛擬世界場景,在未來說不定能製造出讓人分不出虛擬和現實的場景。
現今具有VR功能的手握控制器,漸漸變成手套型讓使用者用手去抓取虛擬物件,增加使用者融入遊戲時的真實感。目前VR還在成長的階段,對許多玩家來說是還蠻備受期待的,雖然它與AR曾在市場上競爭過,卻因需求量太大輸給擴增實境(AR),但現在科技的進步也漸漸讓VR能與AR再次競爭,像現在瘋迷全球的Pokémon Go如果用VR來玩不但減少去外頭造成交通問題。用雙眼去探索,用雙手去觸碰,在VR中盡情去享受你的世界,可提升效能並降低功耗。

肆、參考資料及其他

[1] 薛凱文(民98年),擴增實境應用探討-使用無標記技術,嶺東科技大學數位媒體設計研究所碩士學位論文。
[2] 科技報報(民106年),VR/AR的過去、現在及未來展望。http://technews.tw/2016/05/11/vr-ar
-past-npw-future/
[3] 洪駿命、黃國禎、黃意雯(2012)。遊戲創作學習模式對於國小學童在學習動機、問題解決及學習成就之影響,全球華人計算機教育應用大會。
[4] 朱經明(民88):多媒體與身心障礙兒童。特殊教育季刊,72期,10-12頁。
[5] 黃仁竑、游寶達(民84):遠距教學與虛擬實境(Virtual Reality),資訊與教育,50期,24-27頁。
[6] 賴崇閔、黃秀美、廖述盛、黃雯雯(民98年),3D虛擬實境應用於醫學教育接受度之研究,教育心理學報,40卷,3期,341-362頁

伍、研究計畫進度表(如下表)

進度行程

結語

在看了上面關於三位同學的研究內容後,大家不知道是否對於以3R(AR-VR-MR)做專題研究有一些些的靈感了呢?
其實3R科技是常常可以用來做專題計畫、驗證實驗、反推變因很好的工具,只要妥善運用,相信做出來的內容,必定能增添更多的嚴謹度和效、信度呢!期盼大家能多多運用3R科技喔!

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