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虛擬實境的秘密,全藏在達文西時代的「透視法」裡?

活躍星系核_96
・2017/08/06 ・3439字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

  • 作者/ 曾靖越
    臺北市立大學視覺藝術學系助理教授,熱愛閱讀、電影、跑步與科技藝術。每天不喝咖啡就無法將大腦開機,期許自己的文字能對社會產生些許功能性。

這學期初邀請了藝術家旺廷學弟來談談錄像藝術,班上同學都大有啟發。特別是創作的核心概念,以及作品觀看的方式,大家都有如醍醐灌頂。最近他在歐洲旅行,我注意到他來到了位於荷蘭海牙的梅斯達格全景博物館(Panorama Mesdag) ,這些照片真是令人驚奇。

Panorama Mesdag. 圖/Hans Splinter @ Flickr

視覺的滿漢全餐,古人今人都震撼

全景畫(panorama)是一種廣角或環繞式的影像創作,梅斯達格全景博物館的全景畫是採 360 度環繞呈現的手法,長度超過 14 公尺,圓周長達 120 公尺,其內容描繪 1881 年席凡寧根海灘(Scheveningen)的景象,是由畫家梅斯達格(Hendrik Willem Mesdag)在其友人協助下所完成的1

之前閱讀格勞(Oliver Grau)的《虛擬藝術》(Virtual Art)時,曾在書中讀到許多古典壁畫,以及其讓觀者產身歷其境幻覺的沈浸策略。特別是第三章所提到的色當戰役(The Battle of Sedan)全景圖,該全景圖是為了紀念戰役週年(1883 年),所特別繪製的。還記得讀到這段文字時,一直無法體會為何該全景畫作,在當時引起大眾這麼高的興趣。直到近日我看到了 Panorama Mesdag,我才驚覺,身處在數位年代的我,都對這種細膩的大規模影像感到驚嘆,更何況是身處在「古時候」視覺媒介相對貧乏的人們。

Sedan Panorama. 圖/Berlin um 1900

過去的全景畫,基本上是構築在一間圓筒狀的建築當中。觀眾必須透過走道或階梯,達到這個建築的中心點,以圓心的位置去觀察環形的全景畫。虛擬藝術(Virtual Art)第三章中曾提到:

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「觀眾經由一條通往觀賞平台的黑暗通道進入全景畫空間,在那裡,觀眾被日光,以及畫家運用繪畫所描繪出的光而構成的輝煌影像所包圍。由於缺少外部客體與繪畫之間的對比,觀看者的視線完全被全景畫所征服。」2

這黑暗的通道不禁讓人聯想,這似乎是一種儀式般的準備過程,要讓觀眾先在暗處先把瞳孔撐開,把感官放大到極限,進入到全景畫空間當中,才會產生對繪畫的一種如夢似幻的感受。而 Panorama Mesdag 更在觀眾所在的圓形平台,以及全景畫之間加入實體物件,如:沙灘、枯木、漁網、船錨等。企圖加深觀眾對於場景的沈浸感受與將幻覺極大化。

Panorama National at the Rue de Berri. 圖/art history unstuffed.com

 

藝術上的視覺魔法,全靠幾何數學的幫忙

格勞(Oliver Grau)將全景畫視為虛擬藝術的前身,不過全景畫相較於當代的先進虛擬實境技術,終究有其限制(廢話)。這類的作品,需要觀眾位在一個圓心當中進行欣賞,一旦超出圓心,觀眾相當有可能就遠離被創作者設定好的透視系統,此外,若是觀眾與畫布過於接近,幻象也會看起來也會有被揭穿的感覺。3

若以製作技法來看,全景畫是依據精確的透視法則,以觀眾的視點為核心進行設計,用當時先進的繪製技法,將連續影像以多種視角,配合消失點進行繪製。若與虛擬實境相較則可以發現,同樣是營造身歷其境的幻覺感受,電腦會不斷根據觀眾的位置運算新的 3D 效果透視影像,也就是配合觀眾即時切換視角,以一種「虛擬」的移動,進行空間探索。這都要歸功於電腦運算運算速度的提昇,電腦圖學的進步,當然還有硬體價格的親民化。(下面 Eglise St Victor, Nages 模型建議與 Google CardBorad 一併服用,效果更佳)

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透視法是畫家為了如實描繪景色,運用幾何、數學計算所開發出來的一種「在平面表示三度空間的方法」。顯而易見的,透視法與笛卡兒座標系以及數學運算,是電腦圖學中不可或缺的重要元素。4而當代顯學 3D 動畫又是各種視覺媒體的重點元素,由此,我們便可得知,透視法對於幻覺的營造,功不可沒。

想投影出鬼怪?先來量身打造投影角度吧

由此我們再來談談這幾年一種熱門的創作形式:Projection Mapping(或稱光雕、對位投影、Video Mapping)5。Projection Mapping 可視為一種虛實整合的展現手法,強化了創作者對實體空間想像力,目前正廣泛應用於藝術領域與廣告商用領域,但像這種虛實整合的視覺作品,並不是最近才有的全新藝術形式,例如早期在 1969 年的迪士尼公園(Disney parks)鬼屋當中使用投影效果的幽靈頭顱與半身像,透過真人預錄的影片,技巧性地運用投影技術,將影像投射到水晶球與半身人像中,讓幽靈奇蹟似的來到了真實世界 。

Five singing busts, the ‘Grim Grinning Ghosts‘, singing the theme song of the ride. 圖/disneytouristblog

Projection Mapping 作品的影像製作與呈現,必須針對觀眾的視角進行設計,一般而言,若觀眾沒有在作品設計者所指定的位置觀看作品,完整的影像幻覺便會消失。我們可以從波蘭籍視覺設計師 Marcin Ignac 針對 Projection Mapping 的分析6,得知進行投影時運用透視法進行影像配置的原理 。

如圖 a,投影機投射方向垂直於投影面,無論觀眾怎樣觀看,影像將不會因為投影表面而產生扭曲。但是當投影機之投射角度,並沒有與投影平面垂直時,就會產生投影變形效應(Keystone Effect),如圖 b。因此,若要讓圖 b 的投影效果與圖 a 相同,就必須針對影像進行變形,以抵銷因為投影角度產生的圖形扭曲,如圖 c。

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2D to 3D a.b.c 圖/MARCIN IGNAC

要進行影像變形,多半由專業的 Projection Mapping 軟體進行影像整合與配置,如 MadMapper、vvvv、Resolume Arena 等等,種類非常繁多,但原則上使用模式大同小異。

為了進行對為投影使用軟體進行影像校正(扭曲),無非就是要針對觀眾視角,重新呈現較為正確的透視感,以便產生幻覺,達到觀者的娛樂效果。下面這邊是一段教學,它介紹了如何使用 3D 軟體 Cinema 4D 進行造型製作與動態,並產出影片,接著再由 Adobe AfterEffect 進行色調與光影後製,最後再使用 Resolume Arena 軟體將影像投影到現場實體模型之上。這製作的過程,詳盡說明了 Projection Mapping 製作方式,值得一看。

經典作品背後,原理一脈相傳

本文最末,我們再來談談一個經典作品:Bot & Dolly 工作室的 “Box”8。“Box” 贏得 SIGGRAPH 2014 Best In Show,是一件運用軟體預先模擬,並以精準的機器人動作,配合精緻動畫現場投影,所整合完成一鏡到底(鏡頭應有剪接,但攝影機位置透過機器人保持一定路徑)的對位投影作品。“Box” 以舞台魔術為基本概念,配合黑色電影風格,以陰影圖形、歐普藝術、幾何圖形、錯視、構成等數種設計元素,製作了足以讓人沈浸其中的幻覺藝術 。“Box” 作品最令人驚嘆的就是那種現場營造出來的空間感,那種具備深度的立體幻象,是透過精密的計算,透過機器人、攝影機與投影機所完成的,技術層面高超,這亦充分說明了透視法對立體視覺的重要性。

從古到今,透視法一直是營造立體視覺呈現的關鍵法則。新舊媒體其實背後有一條共同的軸線在貫串彼此,新舊其實並沒有優劣、取代的問題,反而是一種相輔相成,交互拉抬一同進化的共生模式。

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本文轉自 nmlab《新舊媒體的幻覺營造:透視法》


參考資料

  1. 詳見:Panorama Mesdag Den Haag Holland
  2. Grau, O. (2003). The Panorama of the Battle of Sedan: Obedience through Presence Virtual Art: from illusion to immersion (pp. 97): MIT press.
  3. 劉京璇. (2012). 虛擬實境藝術的繪畫視覺性. 臺北藝術大學.(pp. 83) (2012年)
  4. 電腦圖學相關入門基礎可參閱:非關語言: 電腦圖學入門 
  5. Projection Mapping相關資訊可參閱:Projection Mapping Centra
  6. Marcin Ignac, polish artist / programmer / designer
  7. BOX DEMO
  8. 關於 “Box” 亦可參閱 Bot & Dolly 機械手臂 ( 拍攝科技 & 視覺 VJ )

本文為泛科學院「用科普寫作打造個人品牌」學員作品,如果你也想展現自己的專業素養,將知識用大家聽得動、有興趣的方式傳達出去,歡迎一起來跟泛科學總編輯學。報名請洽 #泛科學院

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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AI 可以設計散熱,但誰敢讓它出貨?林唯耕談算力背後的物理現實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/08/20 ・2819字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 高柏科技 合作,泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時,曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏,那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓,引來眾多師生抗議。

「從此以後,我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中,帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言:在理論模型中,氨是太空熱控系統的理想介質;但在現實的辦公大樓裡,它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯,但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險,以及必須為後果負責的工程師。

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高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ,曾任職於美國 OAO 工程部熱流組,深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球,他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心:當晶片運算速度無止境攀升,那股伴隨而生的熱,究竟該往哪裡去?

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗,彷彿進步毫無邊界。然而,每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護。在物理現實面前,再動聽的發表會敘事也必須低頭。

晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護 / 圖片:envato

回顧個人電腦發展早期,晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後,鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級,其實更像是對空間的極限勒索:晶片功率翻倍,發熱源的面積卻沒變大,機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出,散熱設計的核心只有三要素:功率、熱源面積與空間限制。他舉例,在標準的 1U 機箱中,若發熱面積約為三十乘三十毫米,氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數,而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於,風扇轉速提升的背後,是噪音、電力損耗與空間占用。

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因此,「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫,而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱,卻也將新的挑戰帶入機房:漏液風險、流道堵塞、材料相容性,以及維運時的難度。工程的進步,本質上鮮少是徹底消滅問題,更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的,不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人,是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中,沒有空氣能讓風扇製造對流;受光面溫度破百度,陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射,以及熱管與環路型熱管(LHP)來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱,冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力:在他設定的特定條件下,實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能;但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變,移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦(kW)。他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此,太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度,偏好無馬達幫浦的被動式設計;但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度,往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒:技術是否「先進」,與它是否「適合」當下的場景,始終是兩回事。

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他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。/圖片:envato

好論文,為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」,而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作,還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據,在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時,也曾遇過實驗數據無法複製,或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠,而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝,高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」,每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作,並指派專業人才在過程中持續微調、校正,確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測,但由於儀器預設以「水」校正,換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算,卻發現缺乏重複性,數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面,改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證,才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號,而在於那段不夠優雅的挫折:假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻,企業需要的不只是會算數的人才,而是能洞察研究何時「走鐘」,並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

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林唯耕坦言,過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」,進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽,卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計,若無法穩定生產或贏得客戶信任,也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案,誰來負責出貨?

訪談尾聲,主持人國威提出了一個時代難題:假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計,企業該選擇全面擁抱 AI 的速度,還是保留緩慢但穩定的工程驗證,以規避潛在的失效風險?

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是:兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案;但工程師仍須實作原型,進行嚴苛的性能與可靠度測試,最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺,而是基於一項事實:AI 的資料庫裡,通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節,且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代,最稀缺的未必是熟練下指令(Prompt)的人,而是具備這種能力的人:能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來,並且願意為最終的量產品質負起責任。

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大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中,雲端是由龐大的機房架構而成,裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張,都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值,就是不讓這筆物理帳單,被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

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如果在虛擬實境裡尋找伴侶,真的可以建立舒服的戀愛關係嗎?——《元宇宙超圖解》
azothbooks_96
・2023/09/27 ・983字 ・閱讀時間約 2 分鐘

在元宇宙的世界裡,比較容易和價值觀相近的對象,談一場少摩擦的戀愛。

所謂的「談戀愛」,其實就是彼此價值觀的碰撞。

在價值觀日趨多元、細分的現代社會,實體世界裡的戀愛,情侶之間免不了會發生一些摩擦。

所謂的「談戀愛」,其實就是彼此價值觀的碰撞。圖/pexels

越來越多人在實體社會的戀愛關係中感受不到舒適,大眾認為「談戀愛風險很高」的傾向,更是一年比一年更鮮明。

可見「談戀愛」的魅力,正逐步下降。不論是在元宇宙內或外,都有一套很現代的方法可以解決這個問題,那就是配對服務。

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迴避戀愛和元宇宙

當我們對戀愛的價值觀細分化之後,在生活周遭便很難找到滿足條件的人選;但只要像在社群網站上找興趣相近的同好那樣,從一個規模龐大的母群體當中找出伴侶的話,發生摩擦的狀況,會比不假思索就交往的對象減少許多。

若想找更根本的解決之道,那麼元宇宙上還有一個獨門絕招,就是乾脆把伴侶化為虛擬實境的一部分——因為情侶在元宇宙上會隔著虛擬替身,建立起隔一道防火牆的溝通方式。

有些人會覺得「虛擬替身碰不到、摸不著」,不過,時下認為談戀愛不見得一定要有實體互動或性接觸的人已越來越多,或有些原本潛伏噤聲的族群浮上檯面。

想必今後會有越來越多人願意相信這不是逃避實體戀愛,而是元宇宙上的愛情,比實體更美好。圖/azothbooks

要是這些虛擬替身由 AI 操控的話,還能與另一半建立更舒適的戀愛關係——如果對象是 AI,不論是再怎麼極端的戀愛觀,或是任何性傾向,它應該都會接受吧!

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想必今後會有越來越多人願意相信這不是逃避實體戀愛,而是元宇宙上的愛情,比實體更美好。

——本文摘自《元宇宙超圖解:從刀劍神域到寶可夢,一小時讀懂78個概念,掌握本世紀最大商機》,2023 年 9 月,漫遊者文化出版,未經同意請勿轉載。

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azothbooks_96
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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你會想試試「VR 睡眠」嗎?直到睡著前都在虛擬實境之中——《元宇宙超圖解》
azothbooks_96
・2023/09/26 ・857字 ・閱讀時間約 1 分鐘

「VR 睡眠」能讓你我感受到實體世界絕對無法實現的入眠體驗。

在元宇宙的世界裡,現在還興起了一種「VR 睡眠」的文化。

它並不是指玩家在遊戲過程中不小心打盹的「睡著」,而是置身在虛擬實境中,直接戴著VR眼鏡睡著。

這種直到睡著前都能置身同好社群,和同伴共度的體驗,很受好評,讓人直呼「簡直就像校外教學的晚上一樣」,引人入勝。

這種直到睡著前都能置身同好社群,和同伴共度的體驗。圖/azothbooks

還有,在現實世界裡,我們會和別人同床共枕;而在元宇宙裡還有更不一樣的體驗,就是可以在 VR 才能去得了的地方,例如南極的冰上、崖邊、太空、動物的背上等,一直待到睡著為止。

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這正是「方便好用」的虛擬實境才做得到的獨門絕活。

今後,為了讓這些體驗更普及,VR 眼鏡等裝置可望朝更輕巧、更安靜的方向進化。

另外,「VR 睡眠直播」活動也蔚為話題。據了解,這個活動是由當紅的虛擬替身,在虛擬實境上直播睡眠時的模樣。

它的目的,是為了向那些對 VR 還不太熟悉的使用者,介紹 VR 睡眠的概念。

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這場長達八小時以上的直播,共有逾百位使用者一路守著直播到天亮,收視總人數更達三千人之多。

簡直就像校外教學的晚上?

「VR 睡眠直播」可以去平常去不了的地方,例如南極的冰上、崖邊、太空、動物的背上等,一直待到睡著為止。圖/azothbooks

——本文摘自《元宇宙超圖解:從刀劍神域到寶可夢,一小時讀懂78個概念,掌握本世紀最大商機》,2023 年 9 月,漫遊者文化出版,未經同意請勿轉載。

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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。