3DVR 互動模擬技術應用於台北 101 大樓火警應變訓練

 
 
中華顧問工程司 資訊系統部
副理 / 李萬利1 組長、 土木技師 / 馬俊強2 工程師 / 盧祥偉3
 

關鍵詞: 防救災、 3D 動畫、虛擬實境、資訊網路

 
 
     
 
     
 

 

 































 
摘要


2000 年 7 月立法院於通過的「災害防救法」中,有部份條文提及推動 災害預防及災害應變所需之防救災教育演練與 防救災科技研究相關 工作 。筆者有感於防救災 教育訓練 為國內急需關切之重要課題,因為防救災 教育訓練的普及需要大量的師資、人力、設備,所以防救災教育要在短時間內 廣泛執行實非容易。

由於 近年來 資訊科技發達以及網際網路的普及,促成了 3DVR 技術 的蓬勃發展;以工程而言較著重於互動模擬的應用,對一般議題應用則是以『互動遊戲』呈現 。 對於 時下 的年輕人而言, 3DVR 遊戲已成為日常生活中相當重要的休閒娛樂及訊息傳播的一種新興媒體。 squire(2003) 認為, 3DVR 遊戲已成為另一種教學科技,因為數位遊戲具有挑戰性及探索性,會引起使用者之好奇心,而且使用者在遊戲過程所得到的反饋,可以增進知識的學習,相同的技術應用於工程將有機會產生更巨大的應用價值。

筆者認為 利用 3DVR 互動模擬作為媒體可以普及防救災教育訓練工作。 本文將說明防救災 教育訓練如何利用模擬方式進行,並以台北 101 大樓防救災為例詳述 3DVR 防救災互動應變的製作流程。

 
 

壹、 前言

 
 

人口密度高居世界第二的台灣地區,近年來更隨著都市化、高齡化、國際化、資訊化等社會結構的變遷,人口及產業紛紛流向都市集中,除複雜、規模龐大之建築物櫛比鱗次外,土地資源之需求亦逐漸增大,使得天然災害產生較頻繁的台灣,很容易就因此而造成極大的災害與嚴重的損失。因此政府自民國 89 年 7 月 19 日頒布災害防救法,目的就是為了健全本國災害防救體系,強化災害預防、應變及善後處理等措施,但災害防救法頒布至今,實際的執行成效對於減輕天然災害的影響似乎不甚明朗。
根據財團法人國家政策研究基金會 (2003) 指出,災害防救法之政策推動缺失可歸納為以下幾點 :

一、 我國災害防救體系在中央層級部分整合能力不足

二、 災害防救工作,平時準備工作不足

三、 認知不夠,反應不及

四、 各單位應變小組未能確實運作

五、 防災會報與應變中心溝通不足

六、 通訊網路不夠健全

七、 消防人員人力不足

八、 救災人員配備不夠,技術不足

其中二、三兩點說明了國人對災害防救的訓練不甚充足,需要加強辦理防災業務人員講習及訓練、防災教育宣導及演習。而全民的防災教育訓練需要依靠一個龐大的教育體系才能達成。


 


   
 
貳、 防救災教育訓練的推廣
 


 


為落實「災害防救法」加強防救災科技研究及防災教育推廣,政府陸續成立相關防災科技計畫專案及防災科技研究中心,其研究重心大致有建構防救災體系、防救災資訊專案研究、防救災教育等。以台北市為例,台北市唯一能讓市民作實際防災演練之場所為台北市消防局防災科學教育館,台北市消防局防災科學教育館成立至今,共有 32 萬人次參觀,平均每月約 8 千人次 ( 台北市政府消防局電子報, 2005) ,台北市人口約二百六十三萬人 (2005) ,去除學生在學校已獲得防災教育訓練,台北市學齡人口約二十三萬五千人 ( 教育部, 2005) ,台北市民未獲得防災教育訓練的人數約有兩百萬人口。如果要讓台北市民完全獲得防災教育訓練的話,約需要 19 年才可消化完畢。但防災教育實在刻不容緩,政府如要滿足所有國人,必須投入龐大的社會資源。

解決之道在於如何利用有效的管道和工具,來讓國人不需實體的演練設施亦能獲得 防救災之知識及經驗, 現在網際 網路發達,防救災之知識獲得並不困難,但 單是幾個網頁是無法讓 國人獲得防救災之經驗的。經驗是須透過操作及驗證才能獲得,拜電腦技術發展所賜,專家利用電腦開發出幾可亂真的虛擬實境系統 (virtual reality system) ,使用者可以利用虛擬實境系統以視像的方式模擬真實世界中的所有情境。而且虛擬實境系統更被普遍的利用到數位遊戲內,亦即本文所討論的 3DVR 互動模擬 ( 以下簡稱 3DVR 遊戲 ) 。 3DVR 遊戲的特性就是身 歷其境,只把要模擬的資料建置完整,使用者就可以隨意在 虛擬環境內隨心所欲自由遊走。由於 3DVR 遊戲所建構的環境純屬模擬, 3DVR 遊戲未具有實體性質,即是使用者身處的模擬環境中的狀態極為危險,也不會對使用者的人身安全造成威脅或影響。因此吾人可以利用 網際 網路作為傳播 管道 ,再利用 3DVR 遊戲進行 防救災經驗之推廣,會是其中一種可行的方式。

 

   
   
  參、  互動模擬 ( 遊戲 ) 對教育訓練的意義
   
 


洪榮昭 (2005) 指出,在教育哲學領域中常有爭議,到底學者是否需要遊戲來軟化難學之處 ? 或者我們需要用什麼遊戲來促使難學變易學 ?(Kaifai, 2001) 。換句話說,以遊戲為媒介來學習,或者以玩遊戲來進行學習,前者是屬於教育主義、後者則屬於建構主義 (Papert, 1993) 。

台北 101 大樓防災遊戲所要採用的設計方式,實際上是以 Hannifin, Hannifin, Land, & Oliver (1997) 所整理出來的眾多學習方式中的體驗式學習 (experiential learning) 和遊戲導向學習 (game-based learning) 為設計基礎。體驗式學習和遊戲導向學習的重點如下 :

體驗式學習 (experiential learning)

一、 融入真正情境 (immerse in authentic experience)

二、 發表經驗的感受

三、 解釋、資訊、模式、差異、機制、動力等概念

四、 內化、反省學制的概念

五、 集合結論

六、 應用於問題解決

遊戲導向學習 (game-based learning)

一、 概念應用

(一) 舉出融入遊戲的知識,歸納、歸類

二、 確認進行策略

(一) 確認玩的策略可以應用知識

(二) 找出玩的規則和知識的關係性

三、 具預測原則

(一) 預測每一玩法動作的下面結果

(二) 解釋預測的想法

(三) 證實預測成真的機會

四、 分享成功玩法

(一) 知識如何融入

(二) 策略彈性多元

因此台北 101 大樓防災遊戲具有以下之教育訓練特性 :
具有引導性 (intention) —依照企劃所設計的緊湊劇情,使用者必須作出正確的決定,達成目標後才能獲得勝利。

一、 具有真實性 (reality) —遊戲環境是按照真實世界來建造的。救災的方法是按照實際的操作方法來製作的。

二、 具有反饋性 (feedback) —遊戲任務進行是有可能會失敗的,面對每一次的失敗,使用者就會研究,出錯的關鍵點,使用者就會設法去找出問題。

三、 具有互動性 (interactive) —遊戲任務進行並非一板一眼的,使用者作出決定會直接影跟著遊戲的戲情發展。

四、 具有沉浸性 (immersive) —

( 一 )使用者必須在角色群中選擇扮演的角色,從遊戲劇情中了解角色人物背景,了解在真實世界中,同樣的角色在同樣的狀態應做的事情。

( 二 )遊戲是以真實空間為藍本,再以擬真的 3DVR技術在虛擬空間內還原,使用者在操作過程中即代入其中。

五、 具有時限性 (timeliness) —遊戲任務中不會給使者無限的時間,時間用完遊戲就會馬上終止並宣告遊戲任務失敗。所以使用者必須積極面對及處理問題,才能在有限的時間內完成任務。

六、 具有重複性 (repetitive) —遊戲內的意外事件是會一再重覆地發生。面對同樣的意外事件,使用者會懂得如何處理,而且處理方法亦會漸漸成熟。

七、 具有多樣性 (multiplicity) —遊戲任務發展是多元的,遊戲任務的達成方法也是多樣的,同樣的滅火任務可以透過消防栓、滅火器甚至衣服來達成。

八、 具有探索性 (probative) —遊戲任務進行中,系統不會提供任何幫助完成任務的提示,使用者要靠滅火常識和使用者的機智來完成任務。即使使用者因經驗不足無法達成任務,使用者可以重覆進行遊戲任務,直到使用者找到完成任務方法。

九、 具有思考性 (ideological) —遊戲任務進行並不是機械操作,達成任務的方式並無規則可言,使用者必須對遊戲內發生的所有問題作出思考,在當下作出適當的判斷。

十、 具有邏輯性 (logicality) —遊戲在進行時會觸發一個或多個意外事件,如解決意外事件又不會觸發更多意外事件引起連鎖反應,使用者必須一一考量。

十一、 具有選擇性 (selectivity) —任務進行是需要抉擇的,使用者會在面臨進退兩難的情況下作出選擇,如使用者要在大火延燒之際選擇滅火或逃生。在火海快要吞噬辨公室的時候,選擇拯救同事或是保險櫃中的重要文件。

從以上學者的論述和台北 101 大樓防災遊戲的特性中,可以歸納出一些 3DVR 遊戲的教育意義。儘管部分專家學者認為遊戲就跟糖衣 (sugar casting) 一樣,存在強烈的負面意涵,其真正的重點並非遊戲 (game) 而是遊戲內容 (contents) 設計的定位問題,而且能被用作教育訓練的學習遊戲,必需是真正的遊戲,而非只是單純的模擬練習,並要結合創造力與真實內容,遊戲就能發揮真正的教育意義。

 

   
   
  肆、  台北 101 大樓防災互動模擬製作流程
 

 

 

自從 1958 年 William Higinbotham 在實驗室內利用一台核子研究設備,製作出第一個雙打網球 (tennis for two) 遊戲,數位遊戲發展已有接近半個世紀的歷史。從 70 年代起數位遊戲正式商業化至今數位遊戲經歷了好幾個跳躍點,從平面 (2D) 到立體模擬 (3DVR) ,從單機 (standalone) 到連線 (online) ,製作遊戲已經不是一件簡單的事情了。早期遊戲開發簡單,一到兩個人,幾個月的時間,就可以開發出一款遊戲產品。隨著近年來網路遊戲蓬勃發展,使用者對遊戲的要求亦有所提昇,現在遊戲開發產業的特色就是要技術高、分工細、勞力密集。遊戲開發群往往需要四、五十人甚至上百人,動則一年半載。遊戲開發製作流程已相當工業化,本文以台北 101 大樓防災遊戲開發過程為例,說明遊戲的製作流程。遊戲的製作流程可分為企劃書撰寫、資料庫建置及程式編寫三個階段。

一、 企劃書撰寫

企劃書是指從遊戲開始製作時的企劃案推動,遊戲開始進行製作時的執行,一直到遊戲完成前的整體掌控的一份規劃文件。企劃書由企劃人員撰寫,企劃人員的角色跟建築師非常類似,在遊戲製作尚未啟動前,必須把遊戲企劃書完成。遊戲企劃書有如建造房子時的設計圖一樣,上面記載著有關遊戲製作的所有資料。在遊戲企劃書中,必需針對製作遊戲的每一件工作來加以詳細的說明。就以台北 101 大樓防災遊戲為例,在遊戲企劃書中就需針對遊戲中角色,進行造型以及背影的相關設定,方便之後進行美術工作的美工人員獲得參考的依據,針對遊戲企劃書的要求才能設計出符合遊戲的內容的角色,遊戲企劃人員也要在遊戲企劃書中標示出每一個會出現在遊戲中的場所、道具以及相關事件。

撰寫企劃書至少包括如下內容 :

(一) 撰寫劇本

任何遊戲都會有一個劇本,劇本就是讓使用者能夠繼續進行遊戲的原因。使用者會在企劃人員的設計下,按照劇本進行遊戲,沒有劇本的遊戲會讓使用者無所適從,遊戲會變得毫無吸引力。因此一個劇本撰寫是一個非常重要的工作。一個緊湊、富戲劇性的劇本,會讓使用者投入遊戲當中,接收遊戲所傳達的內容及訊息。

劇本又細分為以下幾頂 :

1、 故事大綱—交代整個遊戲故事的來龍去脈,遊戲發展的依據。

2、 對話劇本—遊戲角色在進行遊戲時,使用者所扮演的角色與系統控制角色的談話內容。談話內容會為使用者帶來有用協助遊戲進行的訊息。

3、 角色設定—使用者所扮演的角色的整體描述,如身份、性別、年齡、外貌、習慣、喜好、性格等,都會對遊戲的故事發展造成影響。

4、 場景設定—進行遊戲的場所,場所的空間的特性及氣氛等。

5、 道具設定—輔助遊戲進行的器材,重量、數量、外形、使用方法等。

(二) 定義建置方法及架構

對 3DVR 遊戲建置並非簡單工作,遊戲開發群組織龐大。遊戲內容會關連到多種的媒體和技術。定義遊戲的建置方法才可以把工作項目分割開來,開發人員才可以各盡其責。以台北 101 大樓防災遊戲為例,程式人員必須先行建構一個遊戲基本框架 (main frame) ,遊戲基本框架可以說是遊戲的核心。遊戲基本框架有許多接口 (interface) ,這些接口可以連結不同種類的媒體資料,如物件模型庫 (geometrical model)、人物角色 (character) 、動作庫 (motion data)、音效 (sound effect)、即時動畫 (movie)、災變事件 (visual effect) 等。(詳圖1)

圖 1 系統架構組織圖

 

(三) 規劃遊戲畫面

遊戲進行中系統會出現跟遊戲有的資訊,如使用者的生命狀態、環境狀態、可以使用的道具、滅火器中滅火劑含量、對話框出現的位置、音效的聲量、背景音樂的聲量、螢幕的解像度調整等,都要經過企劃人員的規劃。因此使用者在進行遊戲時除了解角色所在的環境以外,角色的其他狀態也能一目了然。(詳圖2)

圖 2 規劃遊戲畫面

 

(四) 設定遊戲系統

遊戲系統是指遊戲的進行方式。以台北 101 大樓防災遊戲而言,使用者可以用第一人稱視角或第三人稱視角進行。使用者會因為主觀視角的改變,在使用操作上有所差異。

(五) 設定意外事件

遊戲是由許多事件所構成的,因此在遊戲企劃書必須將所有遊戲中會出現的事件一一整理出來,列成表格。在表格中,可以看得出遊戲的內容到底是多是少,大概的遊戲進行時間是多少。

二、 建置資料庫

資料庫的建置是要提供遊戲系統框架 (main frame) 資料,以供模擬之用途。資料庫的種類可概分如下三種類別,即

(一) 模型庫

可分為人物模型及道具模型模兩種。人物模型就是使用者所扮演的角色人物的形像,道具模型則是單純的物件的形態。人物及道具模型都會先利用模型製作軟體製作出幾何形態,經過這個工序後,道具模型大致宣告完成,而人物模型因為涉及動作 (behavior) 則較為複雜,企劃人員會尋找和角色人物體形接近的真人,穿上特製的服裝進入動作擷取裝置 (motion capture) 把指定的動作如走路、轉向、爬行、滅火等擷取下來。經過剪輯修改後,就可以套用在人物角色的模型中,在遊戲進行時,按照使用者的指示,人物角色會造出相對應的動作。(詳圖3~圖6)

圖 3 道具模型庫 圖 4 人物角色模型庫
 
圖 5 把人物角色加入 圖 6 利用真人作動作擷取(motion capture)
 

(二) 材質庫

3D 模型除了造型外,還需質料上的視覺表達。美工人員針對模型庫內的所有模型以擷取真實物品的材質影像,鋪排於 3D 模型表面讓 3D 模型除造型外更接近實際物件。

(三) 事件庫

火場內的所發生的對角色人物造成危害的動態事件,如火焰、煙霧、爆炸、漏電等,程式人員會用程式編製,以上事件之外觀、傷害範圍及傷害程度。在情境編輯時只要把以上事件置入場景內,遊戲內即有該意外事件發生。(詳圖7)

圖 7 災變事件
圖 8 在錄音室進行
 

(四) 音效庫

音效庫包括背景音樂、聲音特效及對白。為了讓遊戲增加戲劇性及形造氣氛,背景音樂是不能缺少的,背景音樂要透過作曲家製作。聲音特效可以表現環境的聲音狀態的,市面上有一些現成的聲音可以使用。對白就是遊戲進行時的交談內容,需要真人在錄音室進行配音工作。(詳圖8)

(五) 使用者介面

使用者介面為平面圖形,是為了表達遊戲的即時狀態。為讓使用者介面容易明瞭,使用者介面多以 條線圖 (bar chart) 形式表達。

三、 程式編製

程式編製是遊戲的技術核心部份,當資料庫建立後程式編輯人員會把所有的資料整合在一起,依照企劃書的描述連結及調整各個資料庫,最後把所有資料綑包成一個可以執行的遊戲程式,遊戲基本上是大功告成。 (詳圖9)

圖 9 遊戲進行畫面

 

 

 

   
    結語
   
 

發展防救災模擬並為適當之教育訓練及應用除可提昇防救災害能力與效益外,更可減少人命財產的傷害及損失,利用網際網路作為防救災模擬之傳播媒體,則是低成本、高效益之管道。台北 101 大樓防災遊戲之技術應用案例,為利用數位虛擬實境模擬火警現場真實的環境,不需要實體教育與演練及人力之整備配合,即可提供防火教育宣導及應變演練。尤以加入緊湊的劇情,期能吸引使用者學習與演練興趣,藉以達到大樓火警應變最佳準備效果。

台北 101 大樓防災遊戲同時可以結合網路,利用區域網路或網際網路提供防救災應變模擬訓練,不限時間、地點,辦理大樓火警防救災教育、觀念宣導,只要網路可及之處即可以進行教育訓練,解除了時間和空間所造成的防救災學習與演練限制。

就防災之實際需要, 台北 101 大樓防災遊戲同時亦可衍生應用於其他辦公大樓、住宅大樓、商場、百貨公司、車站、捷運站、高鐵站、醫院、廠房及其他公共場所等。

台北 101 大樓防災遊戲只是一個開始, 3DVR 數位模擬訓練技術也可以衍生應用於風災、震災、爆炸、水災、旱災、公用氣體、油料與電氣管線災害、重大空難、海難與陸上交通事故、毒性化學物質災害…等防救災教育與演練。 災害防救的最高境界是消弭災害於無形,其次降低損害於最小。在積極的宣導下,相信 3DVR 應能被防災教育訓練廣泛利用。

 

   
 

 

 
 
◎ 參考文獻
 

1. Squire, K., ” Design principles of next generation gaming for education. ”
Educational Technology,43 (5), 17-23, 2003.

2.  Hannifin, M. J., Hannifin, K. M., Land, S.M., & Oliver, K., “ Grounded practice and the design of learning systems. ” Educational Technology Research and Development, 45(3), 101-117, 1997.

3.  Kafai, Y.B., ” The educational potential of electronic games: From games-to-teach to games-to-teach ” , http://caltaralpolicy.udicago.edu/conf2001/papers/kafai.html , 2001.

4.  Papert, S., ” The children ' s machine ” , NY:Basic Book, 1993.
5.  李建中、李至倫, 「 災害防救政策之研究 」 , http://www.npf.org.tw/PUBLICATION/SD/092/SD-R-092-004.htm. 2003.
6. 張恬 君, 「 數位時代遊戲美學之教育意義 」 , http://www.aerc.nhctc.edu.tw/journal/journal5/000.pdf ( 年份不詳 )
7.  洪榮昭, 「 遊戲的教育意義 」 , 國民教育 (45:3), 2005.
8.  蔡承澔, 「 電腦遊戲企劃入門 」 ,電腦玩家, 2000.
9.  馬俊強、蘇瑞育、李萬利, 「 資訊網路技術應用於 3DVR 大樓火警應變模擬訓練 」 , 中華技術,第 66 期, 2005.