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互動3D在製造業之應用─台灣、新加坡與義大利的共同經驗談

【工工系（所）孫天龍教授提供】

圖一各種3D建構工具之關係與特性。

近年來，隨著3D軟硬體技術的進步以及互動3D在電玩娛樂產業的成功，許多製造業廠商也開始思考利用互動3D技術強化產品生命週期各階段的競爭優勢，例如產品虛擬原型、電子型錄、行銷、教育訓練、客戶服務等。本文介紹筆者過去十多年來在台灣產業界推動互動3D（又名虛擬實境、3D數位內容等）的經驗，以及互動3D製作之相關研究議題。有趣的是，筆者發現除了台灣外，新加坡及義大利這兩個國家也有學者從事互動3D技術在製造業應用的研究，而且大家的經驗都非常相似，因此將本文稱為台灣、新加坡與義大利的共同經驗談。

1. 何謂互動3D ? 為何不用3D CAD？
由於台灣的製造廠已普遍使用3D CAD，設計與製造部門的工程師也已熟悉3D CAD，因此當他們聽到我們要介紹互動3D技術時，往往第一時間的反應就是：為什麼我們公司需要用互動3D？ 為何不用現有的CAD 瀏覽器？ 互動3D和CAD有什麼差別呢？

本文所討論的互動3D與3D CAD瀏覽器的確有許多相似處，兩者都可讓使用者在三維空間中從不同角度檢視產品，縮放產品，甚至觸發預設的動畫顯示產品的動態特性，但互動3D使用的3D網格(mesh)模型是由CAD系統之幾何模型(geometric model)轉換而成，已不包含敏感的工程資訊，如尺寸、公差、製程資料等，因此適合發佈給客戶，另外，互動3D使用的3D網格模型通常經由後製處理，達到更高的互動和視覺化要求，常見的後製處理作業包括網格編輯與優化、擬真的外觀效果、行為和互動、動態場景管理、結合其他應用程式以及他互動裝置等（圖一）。與CAD瀏覽器相比，互動3D比CAD瀏覽器多出許多功能。CAD瀏覽器適合用於產品設計和製造階段的工程溝通，但在其它產品生命週期活動所需之溝通，像是業務銷售、市場行銷、訓練和維護等，需要利用互動3D提供更簡單的介面與更強大的互動功能。以下更進一步說明互動3D比CAD瀏覽器多出的功能：

互動3D使用的3D網格模型通常會加上後製的編輯和優化處理，以減少網格數目、讓檔案變小，因此不但可在一般PC即時呈現、也適合網際網路傳輸。3D網格模型後製處理的另一目地為互動程式設計的前處理，例如將可互動物件與靜止物件的幾何模型分開，定義可互動物件動作的坐標系統和旋轉中心點等。

互動3D使用的3D網格模型通常會加上材質貼圖以產生逼真的外觀呈現，也會加上其他視覺效果如透明呈現、環境貼圖等。使用者可互動開啟或關閉這些視覺效果，例如開啟或關閉透明效果以看到機構運轉的內部機制或更改產品的周遭環境效果等。

互動3D使用的3D網格模型會加上行為和互動效果，除了基本的互動功能效果如觸發動畫呈現如產品運轉、組裝或拆解等動態功能外，更可編寫複雜的互動行為，例如設計產品維修訓練環境，讓學員在虛擬場景中練習與測驗產品維修的拆解作業，又如設計客製化產品的3D呈現環境，讓客戶動態組裝客製化產品。

互動3D視覺呈現的場景通常可以動態管理，使用者可以即時增加、修改、刪除場景物件，因此適合作為客製化產品行銷溝通之平台。

互動3D可與其他應用程式如網頁或Flash整合，也可與先進的展示和互動設備整合，如3D立體液晶電視、視覺為基礎之互動技術，動作捕捉器等整合。

2. 互動3D在製造業之應用
互動3D可以強化製造業在業務銷售、市場行銷、售後服務、維修訓練等部門之競爭優勢，使用互動3D的公司人員通常不是設計或製造部門的工程師，而是業務和行銷以及後勤支援人員。互動3D可提高公司與客戶間的溝通，特別是針對不熟悉2D工程製圖的客戶，而CAD瀏覽器則適用於設計或製造部門的工程溝通(圖一)。

在互動3D的專案預算方面，雖然文獻中常看到經費數十萬甚至數百萬美元的大規模VR專案，但這些VR專案大多是由財力雄厚的大型研究機構或大公司提出，而臺灣與義大利的製造廠大多數是中小型企業，這些中小企業無法負擔龐大的預算，因此我們在臺灣、新加坡和義大利執行的互動3D專案預算都在10,000～ 30,000美元間的小型專案，雖然金額不大，但這些預算對這些中小型製造業廠已經是一大筆投資，能說服這些中小型製造廠投資製作互動3D，代表他們經過仔細評估後認同互動3D會帶給公司的效益。

說服一家製造廠引進互動3D技術的前置時間可能需要幾個月甚至幾年。由於公司的技術人員中最了解3D技術的是CAD工程師，但對CAD工程師而言，他們需要的工程溝通問題往往用CAD瀏覽器便足以解決，他們不容易瞭解公司中真正需要互動3D技術支援的人是業務銷售/市場行銷或售後服務/維修訓練部門的人，而CAD瀏覽器又無法提供這些人所需要的進階視覺與互動效果，我們要花一段時間才能讓CAD工程師瞭解此問題。另一方面，業務、行銷、售後服務與維修訓練部門的人對3D技術並不熟悉，因此我們也要花時間教育他們互動3D能提供的各種功能，說服這些人後，還必須花上一段時間讓這些人與公司的管理高層溝通，進行公司內部的投資報酬率評估。但有趣的是，經過冗長的前置作業期，一旦公司決定引進互動3D技術，他們會希望專案在很短時間內就能完成，在臺灣我們的經驗是公司通常希望互動3D的製作專案能在1至2個月內完成，而義大利公司要求的時間更短，公司通常希望互動3D的製作在2 星期或更短的時間內完成。

3. 互動3D製作之研究
互動3D技術雖然在電玩娛樂產業已經非常成功，但在製造業的應用還不是很普及，一個重要的原因是互動 3D的製作過程相當困難、繁瑣與費時，因此雖然公司的決策人員瞭解互動3D帶給公司的好處，但考量製作的人力及成本後，往往仍會猶豫是否要採用這項技術。因此要讓互動3D在製造業(特別是中小企業)的應用更普及，一個關鍵的技術就是要降低互動3D的製作時間、成本及困難度。

我們目前在元智大學從事的研究是利用模型化方法（model-based method）來輔助互動3D場景之建構。利用模型發展的高階圖形化介面不但可幫助3D工程師以系統化與結構化的方式來建構互動場景，減少互動3D的製作時間、成本及困難，也能輔助一般非3D專業的領域專家(如業務、行銷、售後服務、維修訓練等部門的人員與工程師)了解互動3D系統的設計，進而可以即時修改互動腳本，甚至動態的建構自己想要的互動3D場景，增進與客戶間的溝通，增加公司在業務、行銷、售後服務、維修訓練等方面的競爭優勢。

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