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專題導言

STEAM

智慧型手機立體影像STEAM實作教材


文/洪連輝、張益嘉 
由於智慧型手機普遍化，一支智慧型手機內建多種的感測器，善用實用的APP，即可拿來當實驗室的量測儀表，即時測量並記錄實驗數據，讓智慧型手機化身為口袋的多功能科學行動實驗儀器。例如碼表、量角器、距離偵測、重力感測、加速度測量、陀螺儀、GPS、磁感測器，甚至聲頻分析、影像追蹤、示波器等。Phyphox是手機的APP，它是一個免費的感測器整合軟體，可直接提供感測器所量測到的資料。在wifi的環境下，可以分享手機在實驗中測量的資訊。在生活中如果能善用智慧型手機，不只能見識到各種感測器的威力，而且在自然科探究與實作課程教學上，手機也可取代許多大型儀器，降低學生測量的難度，或解決學校沒有經費購買儀器設備做實驗的窘境。

 「光學」或「光電」是一個令人著迷的科學，從光線、色彩、反射、折射、和偏振的基本知識，到光纖通訊、全像術、光電半導體等，再到立體電影、虛擬實境、寶可夢抓寶遊戲，這種老少咸宜的遊戲，其相關的知識是非常豐富而複雜的，然而可惜的是，現行的課程當中，大多只能透過照片或者影片讓學生淺嚐光電的聲光效果，沒辦法實際上讓學生親手探究、動手實作來感受光學的美。有鑑於此，本文整合了科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)、藝術(Arts)的STEAM教育精神，開發一套光學領域課程，課程主題為立體視覺與虛擬實境，當中包含了基礎的光學知識(物理與生物科學)、手機APP與電腦軟體的應用(科技實作)、基礎的結構設計(工程實作)、部分的程式編譯與基礎的幾何學(運算思維與數學)以及視覺設計、空間藝術和錯覺藝術等元素，契合108年新課綱，讓我國的中學學生，不僅能夠提升科學素養，更能夠有跨領域的知識整合，將課程實際運用在他們的日常生活當中，真正的落實學以致用。

 立體視覺


所謂的立體視覺，一般的定義是在歐幾里得空間裡，具有體積的事物。由此可以發現，我們所存在的空間，所擁有的事物，基本上都符合立體視覺。然而，當我們拿出相簿裡的相片，手機螢幕裡的畫面，甚至電腦螢幕的影像，它們基本上都是平面的，這又是為什麼呢？為何透過雙眼去觀察的世界是真實的，是立體的；透過相機或者攝影機拍攝的，難道就是虛假的，只能看到平面嗎？其實我們能夠欣賞到美麗的立體事物，原因就是靠我們最寶貴的靈魂之窗–「眼睛」，以及世界上最精密的儀器–「大腦」。我們的視覺運作原理是，當我們透過雙眼去觀察這個世界，接受到一個立體的物體時，兩眼所看到的影像，會有些微的不同，而這些微的差異稱為雙眼視差，這兩張些微不同的影像，透過視神經進入我們的大腦後，大腦就能夠判定這是一個具有“深度”的立體物體。同時，大腦會將兩張具有些微差異的影像結合，然後還原出一個具有立體的物體，讓我們“看到”所觀察到的物體為立體的。如圖1所示，左眼看到的是紅色橢圓形偏左，右眼看到的是紅色橢圓形偏右。這兩個不同的影像經大腦分析之後，就產生立體的感覺。
 
圖1.立體視覺運作示意圖。

既然人類的立體視覺最重要的是雙眼視差，那麼要怎麼產生立體影像呢？想辦法讓兩隻眼睛看到左右眼各自看到的不同畫面，讓大腦重新建構。一般立體電影就是模擬兩個眼睛，利用一左一右兩台電影攝影機，同時拍攝同一影像。在放映時，也用兩台放映機播放影像，但會在放映機前面分別放置相互垂直的偏振片，把兩個影像同時放映在螢幕上。觀眾在觀看時戴上偏振相互垂直的偏振片眼鏡，左眼的鏡片只允許左方放映機影像通過，右眼的鏡片只允許右方放映機的影像通過，於是大腦就產生了立體感覺。

 智慧型手機的虛擬實境STEAM課程

一、立體錯覺

「平面的立體」圖像概念，請你先在白紙上畫出一個簡單的平面幾何圖形，如四行四邊形，並在這個四行四邊形上畫出一個金字塔，如圖2。從平面發展至立體，這個金字塔是平面還是立體？
圖2.平面與立體作視覺圖形。

圖3是一張達文西作品–最後的晚餐，為什麼這張名畫明明是一張平面的作品，為何能利用色彩的深淺呈現出空間感與立體感呢?這兩個例子，我想都是利用在生活上看立體事物的經驗，所呈現出來的視覺立體錯覺。網路上有許多錯覺的藝術作品或立體圖，若依前面所建構的立體概念探究，則可窺探造成視覺被欺騙的原因為何？你可否利用手機或相機，嘗試拍攝出一張具有空間感或者立體感的照片呢？試看看。 

圖3.達文西作品–最後的晚餐，呈現出空間感與立體感[1]。

二、紅藍立體眼鏡

相信大家都有欣賞過立體電影的經驗，配戴上一副神奇的偏振眼鏡，電影銀幕上的畫面彷彿就跳脫出來變成立體了！這邊我們將帶領大家透過手機、紅藍眼鏡及電腦軟體，就可以在教室作出屬於你自己獨一無二的立體照片(影片難度較高，但你可以選用雙鏡頭的攝影機)！

首先，選定要拍照的人事物，利用一台手機(或兩台相同的手機更好)，最好是兩位同學一起合作進行拍照，拍照的方式就仿造我們雙眼視覺觀看物體的方式，利用手機一左一右進行拍照，因為拍照角度一左一右而產生視野有些微的視差，就如同我們的眼睛一般(如圖4)。
圖4.拍照紅藍相片的示意圖。

圖5和圖6是左右兩邊相機拍攝的照片及紅藍立體影片合成圖，拍照時要注意兩張照片必須要有相同的視野大小。拍攝完畢，我們就能夠將拍攝的影像檔或照片檔利用電腦軟體(影像的部分可以直接使用Stereoscopic Player進行轉檔編輯，相片部分可以選用Anaglyph或其他影像編輯軟體進行編輯)進行左右畫面的疊合，並利用色頻調整將左右眼的畫面變成紅藍色的畫面，完成之後，我們就能夠戴上紅藍眼鏡，欣賞自己製作出來的立體照片了！

表 1、紅藍眼鏡立體視覺STEAM課程概念與學習目標，跨領域的學習。這裡要提醒的是，拍照的目標與鏡頭的距離不要太近或太遠，拍照出來的效果才會突出(建議的距離在70公分至3公尺的範圍內)，拍照的畫面請選擇有遠近層次感的畫面，不要選擇太過寬廣的畫面或太過單一的目標，例如拍照藍天白雲或海天一連線就是很糟的選擇。所以鏡頭與拍照目標的距離、選擇拍照的畫面等等，怎麼拍與拍什麼的立體效果才是最好的，就請各位多多嘗試與思考推理。


圖5.左右兩邊相機拍攝的照片。


圖6.紅藍立體照片合成圖。

表1.立體紅藍眼鏡視覺STEAM課程概念與學習目標


三、虛擬實境

那甚麼是虛擬實境(Visual Reality，VR)呢？簡單的說，虛擬實境就是一個無中生有的環境，但是卻可以讓人覺得跟真實環境一樣。利用電腦模擬進而產生3D空間虛擬世界，利用專用的穿戴裝置（如頭盔、眼鏡），透過視覺、聽覺、甚至是觸覺讓使用者有身歷其境的感覺。一個良好的虛擬環境需要的軟硬體設備包含：一台運算效能極佳的電腦、高解析度的穿戴裝置、精準的指向裝置、以及精緻的虛擬實境軟體。目前虛擬實境技術應用的領域相當廣泛，舉凡教育訓練、醫學模擬、軍事國防、工業設計、建築導覽、生活事物、電動遊戲…等等。而從以上的條件發現，良好的虛擬實境課程就必須投入極高的成本在軟硬體設備上，無形中提高推廣普及生活科技與科學教育的門檻，對於資源不足的偏鄉學校更是不可能實現。是故，發展成本低廉的虛擬實境課程是勢在必行。

要談到虛擬實境的原理，科學史的發展可以幫助我們快速地建立立體虛擬實境的概念。1838年英國科學家就發明了左右眼分割畫面的Wheatstone立體鏡觀看立體圖像，接著有Brewster立體鏡及Holmes立體鏡的演進發明，如圖7所示。基本原理是利用兩張有左右眼視差的相片或圖像，分別放在架上，圖像中間有個隔板，讓左眼只能看左邊的圖像，右眼只能看右邊的圖像，雙眼視差經大腦分析就建立的立體視覺。很驚訝吧，科學家在150多年前就有了虛擬實境的概念。

圖7.左上圖：Wheatstone立體鏡；左下圖：Brewster立體鏡；右圖：Holmes立體鏡[2,3]。

接下來我們來動手製作簡單的VR-BOX，利用所提供的圖檔尺寸，如圖8所示，以厚紙板剪貼而成VR-BOX外型，利用菲聶爾透鏡(Fresnel lens)來取代玻璃透鏡，不但可以讓學生了解菲聶爾透鏡原理，而且可以降低製作成本。將焦距為11cm的菲聶爾透鏡兩張貼再一起，製成焦距為5.5的透鏡，就如圖9所示。將菲聶爾鏡片適當調整眼距後，黏貼於VR-BOX上，VR-BOX的中間需要用分隔板將視線分隔開來，避免左右眼看到隔壁的影像。這樣就製作完成一個簡單的VR-BOX了。

圖8.VR-BOX的圖檔尺寸。


圖9.兩張菲聶爾透鏡黏貼再一起，製成焦距為5.5的透鏡。

現在立體電影已經不夠吸引人了，一定要結合360度環場照片與立體影片才夠炫了。Google 360度環場街景，讓我們了解到360度環場街景的技術，現在市面上已經可以購買到便宜360度環場攝影機，具有兩個半球狀的攝影鏡頭，可以拍攝360度環場照片和影片。但現在的手機，大多內建陀螺儀及加速感測計，再加上手機Google Street View APP，就可以進行拍攝屬於個人的360度環場街景照片(如圖10)，也可以上傳到Google Maps，這樣就幫Google拍攝了沒建置的地圖。

圖10.手機Google street view APP


圖11.利用手機拍攝彰化師大的360度環場街景照片，平面看起來有點扭曲。

現在要教導如何拍攝360度環場街景照片，請先開啟APP後，輕觸介面右下角的橘黃色相機圖示，如圖10。依照APP指引拍攝約20幾張各個角度的照片後，APP會將所有拍攝的照片連結合成為一張完整的360度環場街景照片，如圖11就是我們利用手機拍攝的360度環場照片，平面看起來有點扭曲，但在手機內看就是一張美麗的360度環場照片。若同學很滿意自己的作品也可以上傳至Google Maps，只需經過Google短暫時間的審核之後，就可以在Google Maps上分享你所拍攝的360度環場街景喔。建議不要在人車走動的環境裡進行拍攝，以避免拍出各種斷肢殘臂，怵目驚心的照片。Google Street View也提供VR-BOX使所用的左右分割3D觀賞模式，只要在360度環場照片下輕觸介面右上角3D觀賞模式圖示，APP會自動將照片切割為左右分割畫面(如圖12)。同樣的，兩張照片也有雙眼視差，之後將手機橫放進VR-BOX，即可享受由你親手製作的立體360度環場街景照片，如圖12，將你的頭或身體上下左右旋轉一下，手機內的相片也會跟著360度轉動，神奇吧!

圖12.手機顯示360環場虛擬實境左右分割畫面，將手機橫放進VR-BOX，就可以看到立體的360環場虛擬實境照片。


圖13.穿戴自製VR-BOX，觀看立體360度環場街景照片。

另外，目前手機的Youtube APP也提供許多3D觀賞的影片，只要在全螢幕模式下輕觸介面3D觀賞模式圖示，APP會自動將影片切割為左右分割畫面，之後將手機橫放進VR-BOX，即可立刻欣賞立體動態影片。

表2是VR-BOX立體影像教材對應STEAM的課程概念及學習目標。另外，更進階版的應用，可以利用電腦、智慧型手機、VR-BOX以及手機APP(例如ivry)，透過我們的VR-BOX模擬一個上萬元的主機式頭戴虛擬實境VR(如HTC VIVE)，如圖14的體驗，以USB連接線連上電腦模擬高階虛擬實境VR，這就讓你自行試驗看看。

圖14.使用VR-BOX模擬主機式頭戴顯示器。

表 2.虛擬實境STEAM課程概念與學習目標


 結語

本文設計的教材，除了運用現代科技來幫助學生學習虛擬實境中的物理與科技，我們更發現如果學生要將這些知識內化，要更深刻的理解科學原理和數學的技巧，而且在科技設計、工程的問題解決能力，甚至是藝術上的技巧與概念都不能缺乏，而這也恰恰是STEAM(或STEM+A)的精神。表1、表2是教材對應STEAM的課程概念及學習目標。無論是跨領域學習或協同教學，其實已經行之有年，而非是近年才出現的，但往往礙於人力物力與時間成本的考量與限制，往往難以貫徹實行，此次立體影像的STEAM課程，透過探究與實作、融入科學史、工程設計流程的教學策略，透過日常生活中學生每人都會有的智慧型手機，免費的電腦與手機軟體，以及成本十分低廉的自製VR-BOX。希望能夠讓每個學生、每位教師、每間教室、以及每所學校，無論城鄉差距，都能夠開心學科學，全面提升國人的科學素養。




 


洪連輝
國立彰化師範大學物理系教授
張益嘉
國立彰化師範大學物理系專任助理