TWI756944B - 融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明為有關於一種融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法，主要結構包括一顯示裝置、一混增實境模組、複數工具機台、複數混增實境影像、複數虛實整合影像、至少一虛擬實境裝置、至少一虛擬實境影像。藉上述結構，使用者持有一顯示裝置前往「校園傢俱類產線」，即可看到混增實境影像疊合於產線環境及工具機台上，進而形成虛實整合影像，而藉由虛實整合影像，令使用者得以在工具機台停機或部分加工時進行觀看與學習，同時亦可藉由虛擬實境裝置產生之虛擬實境影像，來學習海外「大型傢俱批量生產線」之生產流程，進而與「校園傢俱類產線」進行比對學習。

Description

融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法

本發明為提供一種融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法，尤指一種得以於工具機台停機或部分停工狀態時，學習操作執行校園傢俱類產線之工具機台，並掌握工廠產線生產的運作狀態及產線觀念，同時搭配虛擬實境裝置之輔助，提升比對學習效果的融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法。

按，傢俱，是日常生活、社會活動、或工作方便而配備的用具，傳統的傢俱都是獨立於房屋主體結構之外且可以移動的，而現代很多傢俱已成為建築的一個組成部分，也就是所謂的系統傢俱。狹義的傢俱只包括具有坐臥、貯藏、間隔等功能的器具，而廣義上的傢俱包括各種所有的家庭用具，如家用電器、燈具等。

就目前台灣的傢俱製造產業來說，能夠生產大型傢俱或是批發生產傢俱的生產線或工廠大多都已經外移到其他國家，如：中國、越南，使得許多木工職業學校的學生已經無法於此類型的工廠進行實習操作，甚至許多木工職業學校仍以30年前的傳統木工機具進行教學，使得通過這樣培訓出來的人才，已經無法因應海外真實傢俱工廠的就業需求。

且目前校園傢俱類產線，為因應以上問題，提供傢俱木工科學生在校園內學習及體驗在第一線傢俱製造廠與生產線上進行操作實習和實機演練的機會。這樣的教學設計，雖可學習到傢俱之生產流程，然而，這樣的「校園類產業生產環境」在執行上，仍存有下列問題與缺失尚待改進：

第一，「校園類產業生產環境」下的「小批量生產線」與真實海外「大型傢俱批量生產線」間，在「生產規模」與「製造程序」上仍具有相當大的落差，學生難以理解兩者之間的「對應關係」而容易造成觀念上的混淆。

第二，礙於「校園類產業生產環境」下的生產規模與產能問題，在多數產線「停工狀態」時，學生將無法看到產線生產的運作狀態。

第三，「校園類產業生產環境」受限於學校實體工廠空間的限制，「實體機台」與「產線」之間的「生產對應關係」受到侷限，機台之間的「加工關係」與「生產製造程序」片段且零碎，學生難以掌握「實體工具機台」和「加工場域」與「虛擬傢俱生產線」之間的關聯性。

第四，現有的教學方式仍難以將「校園類產業生產環境」下的「小批量生產線」觀念有效融入教學場域當中，導致學生仍停留在舊有的生產製造觀念上，而無法完全掌握在「批量傢俱生產線」於「加工任務」與「製造程序」上的知識觀念與操作能力。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之申請人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之申請人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種得以在校園環境中之產線及工具機台處於「停工狀態」或停機時，學習校園傢俱類產線之運作觀念與操作環節，同時藉由虛擬實境裝置之輔助，提升比對學習效果的融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法之發明專利者。

本發明之主要目的在於：透過混增實境模組之結構，以在產線及工具機台處於「停工狀態」或停機時，觀看並學習校園傢俱類產線之運作觀念，同時學習如何操作執行工具機台，並掌握生產線加工流程與關連性之觀念狀態。

本發明之再一主要目的在於：透過虛擬實境裝置產生之虛擬實境影像，令使用者模擬海外大型傢俱批量生產線之生產流程，並與校園傢俱類產線進行比對學習。讓學生可以透過比較在校園類產線環境下的「小批量生產線」與真實海外「大型傢俱批量生產線」之間的生產差異，再搭配校園真實「類產業環境」的實際加工演練，讓學生可清楚分辨不同的產線規模與工具機台加 工之間的關係，並體驗相同傢俱在不同的生產條件及加工環境下所進行生產製造的狀態。

為達上述目的，本發明之主要結構包括：一顯示裝置，顯示裝置資訊連結一混增實境模組，而校園傢俱類產線中具有複數工具機台，混增實境模組產生複數混增實境影像，且混增實境影像係界定於校園傢俱類產線中，並疊合或顯示於工具機台之側處，混增實境影像係模仿工具機台之作動態樣，以強化生產線流程之間的資訊呈現，並與工具機台配合作動，藉以形成複數虛實整合影像，彌合「校園類產業生產環境」在「虛擬產線資訊」與「實體機台操作」之間的觀念連結與資訊缺口。更有至少一虛擬實境裝置，係供產生至少一與虛實整合影像相對應之虛擬實境影像，虛擬實境影像得以重現真實海外「大型傢俱批量生產線」，在「生產規模」與「製造程序」上的模擬實景，讓學生可以透過比較在校園傢俱類產線環境之「小批量生產線」，與真實海外「大型傢俱批量生產線」之間的生產差異，進而達到沉浸式之教學體驗。

透過上述結構，當校園傢俱類產線內的各個工具機台處於停機狀態時，使用者可手持顯示裝置於校園傢俱類產線行走，當抵達工具機台之位置處時，即可透過顯示裝置看到由混增實境模組所產生之混增實境影像，且混增實境影像係疊合於工具機台及校園傢俱類產線之環境與路徑上，混增實境影像係模仿工具機台之作動態樣、與校園傢俱類產線之生產加工狀態，因此，由混增實境影像與工具機台配合形成之虛實整合影像，係可供使用者學習，以了解如何操作、執行校園傢俱類產線中之工具機台。學生可在「校園傢俱類產線」中，透過顯示裝置360度觀看虛擬產線加工之3D混增實境影像，並且在校園傢俱類產線中可自由走動以掌握「虛擬傢俱生產線」與「實體工具機台和加工場域」之間的關聯性。

而當使用虛擬實境裝置進入虛擬實境中時，會看到與虛實整合影像相對應之虛擬實境影像，如此，使用者即可透過虛擬實境裝置來學習大型傢俱批量生產線之生產流程，藉以與校園傢俱類產線進行比對與學習。其教學流程係先由虛擬實境裝置進入虛擬實境中建構學生對於海外「大型傢俱批量生產線上的傢俱製造情景與場站狀態」，透過虛擬實境逐步令學生掌握生產線上「加工任務」與「製造程序」的知識能力。接著再前往校園傢俱類產線中使用混增 實境模組，讓學生掌握「虛擬傢俱生產線」與「實體工具機台和加工場域」之間的關聯性。

藉由上述技術，可針對習用校園傢俱類產線所存在之以下數點問題進行解決，包含：(1)「校園類產業生產環境」下的「小批量生產線」與真實海外「大型傢俱批量生產線」之間，在「生產規模」與「製造程序」上仍具有相當大的落差，學生難以理解兩者之間的「對應關係」而容易造成觀念上的混淆；(2)礙於「校園類產業生產環境」下的生產規模與產能問題，在多數產線「停工狀態」時，學生將無法看到產線生產的運作狀態；(3)「校園類產業生產環境」受限於學校實體工廠空間的限制，「實體機台」與「產線」之間的「生產對應關係」受到侷限，機台之間的「加工關係」與「生產製造程序」片段且零碎，學生難以掌握「實體工具機台」和「加工場域」與「虛擬傢俱生產線」之間的關聯性；(4)現有的教學方式仍難以將「校園類產業生產環境」下的「小批量生產線」觀念有效融入教學場域當中，導致學生仍停留在舊有的生產製造觀念上，而無法完全掌握在「大型傢俱批量生產線」於「加工任務」與「製造程序」上的知識觀念與操作能力；(5)課後或工廠停機狀態時無法自行學習，導致無法融會貫通，且難以與大型傢俱批量生產線進行比對學習的問題點加以突破，藉以達到上述優點之實用進步性。

100、100a:校園傢俱類產線

200:大型傢俱批量生產線

1、1a:顯示裝置

2、2a:混增實境模組

21、21a:混增實境影像

22a:導引標示

23a:承載導引裝置

24a:解說影像

25a:編輯單元

3、3a:工具機台

4、4a:虛實整合影像

5:虛擬實境裝置

51:虛擬實境影像

第一圖 係為本發明較佳實施例之立體透視圖。

第二圖 係為本發明較佳實施例之步驟流程圖。

第三圖 係為本發明較佳實施例之虛實整合作動示意圖(一)。

第四圖 係為本發明較佳實施例之虛實整合作動示意圖(二)。

第五圖 係為本發明較佳實施例之虛實整合作動示意圖(三)。

第六圖 係為本發明較佳實施例之虛實整合作動示意圖(四)。

第七圖 係為本發明較佳實施例之虛擬實境示意圖(一)。

第八圖 係為本發明較佳實施例之虛擬實境示意圖(二)。

第九圖 係為本發明再一較佳實施例之導引示意圖。

第十圖 係為本發明再一較佳實施例之影像解說示意圖。

第十一圖 係為本發明再一較佳實施例之虛實整合作動示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第一圖至第八圖所示，係為本發明較佳實施例之立體透視圖至虛擬實境示意圖(二)，由圖中可清楚看出本發明包括：

一顯示裝置1，係供使用者於校園傢俱類產線100進行觀看與學習；

一混增實境模組2，該顯示裝置1資訊連結該混增實境模組2；

複數工具機台3，該些工具機台3係位於該校園傢俱類產線100中；

複數混增實境影像21，該些混增實境影像21係由該混增實境模組2所產生，且界定於校園傢俱類產線中100中，並位於各該工具機台3之側處，各該混增實境影像21係模仿各該工具機台3之作動態樣，並與各該工具機台3配合作動，藉以形成複數虛實整合影像4，令使用者於該顯示裝置1中觀看該校園傢俱類產線之生產狀態，以了解加工之程序態樣，並從中學習如何操作、執行各該工具機台3及掌握該些工具機台3與該校園傢俱類產線100之間的生產對應關係；及

至少一虛擬實境裝置5，係供產生至少一與該些虛實整合影像4相對應之虛擬實境影像51，該虛擬實境裝置5係供使用者於虛擬實境中進行大型傢俱批量生產線200之生產模擬，藉以與該校園傢俱類產線100進行比對學習。

較佳地，混增實境模組2係以設於顯示裝置1中之應用程式App為例，但不予以設限。

較佳地，顯示裝置1以平板電腦為例。

較佳地，校園傢俱類產線100中工具機台3之數量以三個為例，且本實施例之工具機台3分別為CNC雕刻機、側孔機、及圓鋸機，然並不予以設限，校園傢俱類產線100中係供使用者於其中進行完整的傢俱生產流程 。

較佳地，混增實境影像21包含有雕刻機、雕刻刀、打孔刀、圓鋸刀、及原料之影像。

較佳地，虛擬實境裝置5之數量以四個為例，且分別為虛擬實境眼罩、虛擬實境握把、擴增實境眼鏡、及控制器，然並不予以設限。

藉由上述之說明，已可了解本技術之結構，而依據這個結構之對應配合，即可於工具機台3停機時，學習操作執行校園傢俱類產線100之工具機台3，同時藉由虛擬實境裝置5之輔助，提升比對學習效果，而本發明之使用方法，其步驟包括：

(a)持有一顯示裝置於校園傢俱類產線行走，並前往複數工具機台之位置處；

(b)藉由該顯示裝置觀看由一混增實境模組所產生之複數混增實境影像；

(c)藉由該些混增實境影像與該些工具機台配合形成之複數虛實整合影像，以在該些工具機台處於停機狀態時，學習如何操作執行該些工具機台；及

(d)使用一虛擬實境裝置，進入虛擬實境中觀看由該虛擬實境裝置所產生之至少一與該虛實整合影像相對應之虛擬實境影像，藉以體驗大型傢俱批量生產線之生產模擬，並與該校園傢俱類產線進行比對學習。

藉上述結構與步驟得知，當校園傢俱類產線100之工具機台3停機，但使用者還想對工具機台3進行學習時，可手持顯示裝置1前往校園傢俱類產線100中，並且移動至工具機台3之側處，此時即可透過顯示裝置1，觀看到混增實境模組2所產生之混增實境影像21，且該混增實境影像21係疊合於實體的工具機台3上。

請配合參閱第三圖及第四圖，由圖中可清楚看出，實體的工具機台3係為CNC雕刻機，而混增實境影像21係為雕刻機、切刀、及原料之影像，因工具機台3處於停機狀態，故無法作動，且實體工具機台3上不具有切刀及原料，但當使用者使用顯示裝置1時，可配合著混增實境影像21(即虛擬雕刻機、虛擬切刀、及虛擬原料之影像)進行觀看，由混增實境影像21與工具機台3搭配呈現出之影像即為虛實整合影像4，藉由該虛實整合影像4，使用者 可以清楚了解工具機台3之作動流程，並且係在工具機台3停機的狀況下達到。

再請配合參閱第五圖，實體的工具機台3係為側孔機，而混增實境影像21係為打孔刀、及原料之影像，而第六圖之實體的工具機台3則為圓鋸機，混增實境影像21為圓鋸刀、及原料之影像，本發明之較佳實施例將原料分別以CNC雕刻機、側孔機、及圓鋸刀依序對原料進行加工，藉以表明校園傢俱類產線100係指完整的傢俱生產流程，且校園傢俱類產線100中必須具備複數工具機台3，才得以將原料加工成傢俱成品。

如此，當校內學生欲自行進行學習生產線之觀念時，即可在產線停工的狀態或課後的時間，對工具機台3或生產線之操作流程進行觀看，並掌握「實體工具機台3」與「校園傢俱類產線100」之間的「生產對應關係」與工具機台3的生產加工方式，進而避免了學習時間少導致無法融會貫通等問題。

而本實施例第七圖中之虛擬實境裝置5即為市面上習用虛擬實境VR(Virtual Reality)眼罩及握把，虛擬實境裝置5所呈現之虛擬世界係為國外大型傢俱批量生產線200之場景，當使用者配戴虛擬實境裝置5，即可於該大型傢俱批量生產線200的場景中，進行生產流程之模擬，透過虛擬實境裝置5可觀看並操控其中之虛擬實境影像51，如第七圖即為使用者配戴虛擬實境裝置5之眼罩及握把來觀看虛擬實境影像51受CNC機台雕刻之態樣，進而達到親身體驗之效果。

此外，本實施例第八圖中之虛擬實境裝置5係為洞穴式虛擬實境(Virtual Reality CAVE)之眼鏡及控制器，此種虛擬實境裝置5可用於職業訓練等商業用途，如此之洞穴式虛擬實境裝置5，會於洞穴空間之牆面上投影出大型傢俱批量生產線200之影像，使用者配戴虛擬實境裝置5之主動式3D立體顯像眼鏡及手持操控器，可提升整體立體效果，而使用虛擬實境裝置5之手持控制器，得以自行對牆面之影像進行操控，藉以達到體驗大型傢俱批量生產線200生產流程之效果。

本發明混增實境之教學系統令使用者可依序操作混增實境模組2與虛擬實境裝置5，依序學習校園傢俱類產線100與大型傢俱批量生產線200之生產流程，藉以在學習的過程中相互比較，進而熟知其中之差異性， 達到比對學習之效果。

再請同時配合參閱第九圖至第十一圖所示，係為本發明再一較佳實施例之導引示意圖至虛實整合作動示意圖，藉由上述構件組構時，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，本實施例中，混增實境模組2a產生有一導引標示22a、一承載導引裝置23a、及一解說影像24a，此外，混增實境模組2a中還具有一編輯單元25a。

較佳地，導引標示22a係以箭頭態樣為例。

較佳地，承載導引裝置23a係以搬運自走機器人態樣為例。

當使用者手持顯示裝置1a進入校園傢俱類產線100a時，可看到地板上出現導引標示22a及承載導引裝置23a之虛擬影像，若欲學習生產線從頭至尾的完整流程，即須前往各個不同的工具機台3a處操作，此時導引標示22a即會指向下一站之位置，而承載導引裝置23a則會沿著導引標示22a前進，進而引導使用者前往。

大部分的傢俱生產流程皆會具有備料、雕刻、組裝、塗裝、及包裝等步驟，舉例來說，承載導引裝置23a會先帶領使用者前往備料區拿取欲雕刻之原料，而原料態樣之混增實境影像21a即會出現在該備料區中，承載導引裝置23a則會承載該原料態樣之混增實境影像21a，並帶使用者前往下一站進行雕刻。抵達時承載導引裝置23a即會把原料態樣之混增實境影像21a，放置於虛實整合影像4a上，藉以將工具機台3a與混增實境影像21a相互配合，顯示雕刻之作動給予使用者觀看。

如此藉由承載導引裝置23a之設計，得以提升整體臨場感，讓使用者一步步地完成校園傢俱類產線100a之生產流程，循序漸進的方式，更令使用者清楚每一步的細節，最後達到融會貫通之效果。

而在使用者前往各個不同步驟所對應之位置處時，混增實境模組2a即會產生解說影像24a，例如當使用者前往備料區時，解說影像24a即會出現「備料區」之字樣，以及對備料區之解說，如：備料區目前具有何種原料、當欲進行雕刻作業時須拿取哪些原料…等，同理，在雕刻之位置處時亦可出現對應之字樣，並配合虛實整合影像4a之作動進行解說，提升使用者之學習效率。

此外，透過編輯單元25a之結構，使用者可對混增實境影像21a、導引標示22a、承載導引裝置23a、或解說影像24a進行編輯、製造、或控制等動作。例如，當使用者認為此處解說影像24a不夠精確，可透過編輯單元25a進行文字態樣的編輯，而當使用者認為此處的承載導引裝置23a所移動之方向錯誤時，可透過編輯單元25a進行路徑之修改，而當使用者認為此處原料態樣之混增實境影像21a數量不夠時，亦可透過編輯單元25a於此位置處直接產生，進而透過編輯單元25a來提升整體操作便利性。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

是以，本發明之融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法可改善習用之技術關鍵在於：

第一，透過混增實境模組2之結構，以在工具機台3停機時，觀看並學習如何操作執行該工具機台3。

第二，透過虛擬實境裝置5產生之虛擬實境影像51，令使用者模擬大型傢俱批量生產線200之生產流程，並與校園傢俱類產線100進行比對學習。

第三，透過導引標示22a之結構，以引導使用者前往校園傢俱類產線100a中不同之位置處。

第四，透過承載導引裝置23a之結構，令使用者得以學習到更加完整的生產流程。

第五，透過解說影像24a之結構，提升使用者之學習效率。

第六，透過編輯單元25a之結構，以提升整體操作之便利性。

綜上所述，本發明之融合混增實境及虛擬實境之教學系統及其方法於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障申請人之辛苦研發，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，申請人定當竭力配合，實感德便。

1:顯示裝置

2:混增實境模組

5:虛擬實境裝置

Claims (6)

1. 一種融合混增實境及虛擬實境之教學系統，其主要包括：一顯示裝置，係供使用者於校園傢俱類產線進行觀看與學習；一混增實境模組，該顯示裝置資訊連結該混增實境模組；複數工具機台，該些工具機台係位於該校園傢俱類產線中；複數混增實境影像，該些混增實境影像係由該混增實境模組所產生，且界定於該校園傢俱類產線中，並位於各該工具機台之側處，各該混增實境影像係模仿各該工具機台之作動態樣，並與各該工具機台配合作動，藉以形成複數虛實整合影像，令使用者於該顯示裝置中觀看該校園傢俱類產線之生產狀態，以了解加工之程序態樣，並從中學習如何操作、執行各該工具機台及掌握該些工具機台與該校園傢俱類產線之間的生產對應關係；及至少一虛擬實境裝置，係供產生至少一與該些虛實整合影像相對應之虛擬實境影像，該虛擬實境裝置係供使用者於虛擬實境中進行大型傢俱批量生產線之生產模擬，藉以與該校園傢俱類產線進行比對學習，該混增實境模組產生有一承載導引裝置，係供於該校園傢俱類產線中移動並承載該些混增實境影像，同時引導使用者前往不同之位置處，且該混增實境模組中具有一編輯單元，係供使用者自行編輯、製造、或控制該些混增實境影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之融合混增實境及虛擬實境之教學系統，其中該混增實境模組產生有一導引標示，係供引導使用者前往該校園傢俱類產線中不同之位置處。
3. 如申請專利範圍第1項所述之融合混增實境及虛擬實境之教學系統，其中該混增實境模組產生有至少一解說影像，該解說影像係顯示於該校園傢俱類產線中，並位於該些工具機台側處，以對該些混增實境影像、該些工具機台、及產線流程進行解說與觀念建構。
4. 一種融合混增實境及虛擬實境之教學系統使用方法，其步驟包括：(a)持有一顯示裝置於校園傢俱類產線行走，並前往複數工具機台之位置處；(b)藉由該顯示裝置觀看由一混增實境模組所產生之複數混增實境影像；(c)藉由該些混增實境影像與該些工具機台配合形成之複數虛實整合影像， 以在該些工具機台處於停機狀態時，學習如何操作執行該些工具機台；及(d)使用一虛擬實境裝置，進入虛擬實境中觀看由該虛擬實境裝置所產生之至少一與該虛實整合影像相對應之虛擬實境影像，藉以體驗大型傢俱批量生產線之生產模擬，並與該校園傢俱類產線進行比對學習，該混增實境模組形成有一承載導引裝置，係供於該校園傢俱類產線中移動並承載該些混增實境影像，同時引導使用者前往不同之位置處，且該混增實境模組中具有一編輯單元，係供使用者自行編輯、製造、或控制該些混增實境影像。
5. 如申請專利範圍第4項所述之融合混增實境及虛擬實境之教學系統使用方法，其中該混增實境模組形成有一導引標示，係供引導使用者前往該校園傢俱類產線中不同之位置處。
6. 如申請專利範圍第4項所述之融合混增實境及虛擬實境之教學系統使用方法，其中該混增實境模組產生有至少一解說影像，該解說影像係顯示於該校園傢俱類產線中，並位於該些工具機台側處，以對該些混增實境影像、該些工具機台、及產線流程進行解說與觀念建構。

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