利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升規(guī)劃方案的空間認(rèn)知效果

張 俊，李 驍，陳 凱，葉進(jìn)勇，黃斯曼

(1. 成都市勘察測(cè)繪研究院，四川 成都 610081； 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

為避免城市在建設(shè)中出現(xiàn)空間無序、生態(tài)失衡、交通擁堵等大城市病，需要在城市規(guī)劃中作出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)和審批決策。為實(shí)現(xiàn)這一目的，需要規(guī)劃設(shè)計(jì)者和政府決策者對(duì)城市的地理空間及規(guī)劃方案有充分的了解。在認(rèn)知層面上表述為特定人員對(duì)特定區(qū)域、特定場(chǎng)景需要有較高程度的空間認(rèn)知。而對(duì)于空間場(chǎng)景，不同的空間表達(dá)方式對(duì)觀察者的空間認(rèn)知程度有極大的影響[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有真實(shí)感強(qiáng)烈的浸入式體驗(yàn)。相比傳統(tǒng)的空間表達(dá)方式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬地理場(chǎng)景在空間認(rèn)知的各個(gè)層面均體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)[2-4]。因此可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于城市規(guī)劃工作中，將規(guī)劃方案制成空間認(rèn)知效果優(yōu)異的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。為城市規(guī)劃提供直觀、準(zhǔn)確的信息支撐，并能有效提升規(guī)劃設(shè)計(jì)和決策水平，降低了公眾參與的難度[5-9]。

1 規(guī)劃方案表達(dá)方式的空間認(rèn)知效果差異

1.1 空間認(rèn)知基本概念

空間認(rèn)知是認(rèn)知科學(xué)的重要領(lǐng)域之一，主要研究人類怎樣認(rèn)識(shí)空間環(huán)境，具體包括對(duì)空間中物體、現(xiàn)象的位置、空間分布、相互關(guān)系，以及它們的變化和規(guī)律。人類依靠自身的視覺、聽覺、觸覺等感官獲得關(guān)于時(shí)間的信息，然后依靠大腦的形象思維把信息轉(zhuǎn)換為物體的大小、形狀、位置及相互關(guān)系等空間信息[3]。

1.2 常見規(guī)劃方案表達(dá)方式及其空間認(rèn)知效果

規(guī)劃方案的空間表達(dá)均以二維或三維方式實(shí)現(xiàn)。二維方式包括傳統(tǒng)的紙質(zhì)媒體或數(shù)字化的地圖、設(shè)計(jì)圖、效果圖等。三維方式包括沙盤模型、三維動(dòng)畫、三維規(guī)劃GIS系統(tǒng)等。

傳統(tǒng)紙質(zhì)媒體信息承載量小互動(dòng)性差。數(shù)字化的地圖、設(shè)計(jì)圖、效果圖則具有較好的動(dòng)態(tài)性和交互性。空間認(rèn)知模式方面，二維電子地圖類似于“閱讀式”，即空間信息需要通過符號(hào)化進(jìn)行表達(dá)，閱讀者需要進(jìn)行符號(hào)解譯才能形成空間認(rèn)知，因此空間認(rèn)知效率較低。此外對(duì)各類圖形符號(hào)的解讀需要一定的知識(shí)背景，使得閱讀規(guī)劃方案的門檻較高，不利于公眾參與[1]。

三維方式的空間認(rèn)知模式則類似與“觀看式”。在表達(dá)內(nèi)容上是以接近真實(shí)物體外觀的三維模型來展示規(guī)劃方案。在視角上均采用符合人類視覺習(xí)慣的透視投影，可以直觀、形象地標(biāo)識(shí)場(chǎng)景的地貌、地物要素。三維動(dòng)畫的畫面真實(shí)感強(qiáng)，但不具有互動(dòng)性。而三維GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高互動(dòng)性的自主瀏覽。與二維方式相比，三維方式的瀏覽可以減少觀看者的符號(hào)解譯過程，因此可以更加快捷、直接地獲取所需的空間信息，認(rèn)知代價(jià)更小、認(rèn)知效率更高[1、10-11]。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的空間認(rèn)知效果

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中地理實(shí)體依然是以三維模型作為載體，通過特定的虛擬現(xiàn)實(shí)穿戴式設(shè)備可以讓使用者獲得浸入到場(chǎng)景之中的體驗(yàn)，對(duì)所感受到的虛擬物體產(chǎn)生了類似現(xiàn)實(shí)物體的存在幻覺[14]。與真實(shí)地理空間相同體驗(yàn)可以使得用戶很容易將信息與現(xiàn)實(shí)相聯(lián)系，縮短用戶判讀時(shí)的認(rèn)知距離，同時(shí)在心理上產(chǎn)生一定程度的親和力[3]。

在同樣的三維場(chǎng)景中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與常規(guī)三維瀏覽的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明前者表現(xiàn)出更好的空間認(rèn)知效果。在試驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，用戶浸入式的第一人稱視角使得空間認(rèn)知的各個(gè)層面上的認(rèn)知效果均超過常規(guī)三維瀏覽方式。因此在視覺感知方面，虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景能夠協(xié)助用戶感知更多的細(xì)節(jié)，增加視覺感知信息量。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)自然、靈活的交互方式也使得用戶有更多時(shí)間和頻次感知場(chǎng)景中空間對(duì)象、空間格局等信息[2]。

2 規(guī)劃方案的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景制作

規(guī)劃方案的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景制作與常規(guī)三維建模有較多區(qū)別。為提高用戶的沉浸感、交互性，需要特殊的軟件制作工具和硬件瀏覽設(shè)備，才能制作出具有極高的精細(xì)程度、視覺效果和互動(dòng)性功能的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。Epic公司的虛幻4三維游戲引擎憑借其強(qiáng)大三維場(chǎng)景制作和藍(lán)圖編輯功能，成為虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景或游戲制作的首選工具[12-13]。在硬件方面HTC VIVE設(shè)備具有定位快捷、顯示效果逼真、互動(dòng)操作豐富等突出優(yōu)勢(shì)，可以有效地滿足虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的瀏覽要求[14-15]。

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作流程可分為基礎(chǔ)三維模型的制作和虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景優(yōu)化兩部分。本文以四川省天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)為例簡(jiǎn)要說明該制作流程。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與功能設(shè)計(jì)

天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)由多個(gè)場(chǎng)景構(gòu)成。其中有三維全范圍大場(chǎng)景，以及包括菁蓉中心、西部博覽城的17個(gè)局部精細(xì)場(chǎng)景。在互動(dòng)性功能方面，需要實(shí)現(xiàn)自由漫游、動(dòng)畫路徑漫游、場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)、天氣效果切換、信息查詢等功能。

2.2 基礎(chǔ)三維模型制作

在本節(jié)中，需要按照在3ds MAX中將場(chǎng)景中的地形、建筑要素等制成三維模型。制作過程中需要確保模型的位置、尺寸、形狀、外觀與真實(shí)環(huán)境或設(shè)計(jì)圖紙保持一致。如圖1所示，天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的基礎(chǔ)建模過程采用了各類地理信息數(shù)、影像、設(shè)計(jì)圖紙等作為依據(jù)。此外為便于下一階段在虛幻4中的場(chǎng)景優(yōu)化，需要將模型的原點(diǎn)位置、材質(zhì)紋理、圖層、文件格式等進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景優(yōu)化與功能開發(fā)

完成基礎(chǔ)三維模型的制作后，需要在虛幻4中進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化和互動(dòng)性功能開發(fā)。場(chǎng)景優(yōu)化目的在于構(gòu)建場(chǎng)景的真實(shí)光影和物理碰撞等仿真模擬效果。該工作內(nèi)容包括如下過程[12]：

(1) 場(chǎng)景模型拼接：導(dǎo)入該場(chǎng)景所屬的基礎(chǔ)三維模型，將不同的三維模型按照其真實(shí)位置進(jìn)行拼接處理，構(gòu)建出完整的三維模型場(chǎng)景。

(2) 場(chǎng)景光源設(shè)置：在場(chǎng)景中的特定位置設(shè)置光源，并通過調(diào)節(jié)光影參數(shù)模擬出日光、人工點(diǎn)光源、人工射燈等不同特性的光源效果。

(3) 場(chǎng)景材質(zhì)設(shè)置：對(duì)模型的材質(zhì)進(jìn)行貼圖和反射處理，使得模型具有真實(shí)的反射、折射、遮擋等光影效果。

(4) 物理碰撞設(shè)置：利用凸面體碰撞工具生成模型的碰撞邊界，以限制漫游范圍的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)觸覺的間接模擬。

(5) 添加其他動(dòng)態(tài)要素：在場(chǎng)景中加入人物、動(dòng)物、車輛、船只等動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)置其運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于人物模型，還需要精確設(shè)置其骨骼動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)豐富的肢體動(dòng)作(如圖2所示)。

借助于虛幻4中的藍(lán)圖編輯工具，開發(fā)人員無需大量編寫代碼即可在藍(lán)圖中連接各類節(jié)點(diǎn)、時(shí)間、函數(shù)等工具，以直觀的方式創(chuàng)建出手柄的場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)、自由漫游、路徑漫游等互動(dòng)性功能[13]。

完成了場(chǎng)景的制作和功能開發(fā)后，即可將全部場(chǎng)景打包并輸出成可供HTC VIVE設(shè)備使用的可執(zhí)行文件。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的空間認(rèn)知試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

空間認(rèn)知模式包括3個(gè)層次，分別為空間特征感知、空間對(duì)象認(rèn)知、空間格局認(rèn)知[16]。其中空間對(duì)象與空間格局認(rèn)知屬于較高級(jí)的層面，本次試驗(yàn)將空間對(duì)象與空間格局兩方面作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同展示方式的空間認(rèn)知效果進(jìn)行量化對(duì)比。

本次試驗(yàn)在天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)成果中選取了3個(gè)場(chǎng)景用于對(duì)比試驗(yàn)，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2為建筑群場(chǎng)景，場(chǎng)景3為室內(nèi)展廳場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景均提供二維、三維和虛擬現(xiàn)實(shí)3種展示瀏覽方式(如圖3所示)。受試者需要按照分配表，使用不同的方式分別對(duì)3個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行瀏覽(見表1)。

表1 受試者瀏覽方式分配

3.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)的受試者共有6名。試驗(yàn)要求受試者對(duì)每個(gè)場(chǎng)景的進(jìn)行5分鐘瀏覽，具體路線和內(nèi)容均不作限制。在受試者完成當(dāng)前場(chǎng)景的瀏覽后，向試驗(yàn)人員描述場(chǎng)景內(nèi)容。需要描述的內(nèi)容為受試者所能回憶起的所有空間對(duì)象，包括建筑、道路、附屬小品設(shè)施等。描述時(shí)要求受試者詳細(xì)描述對(duì)象的名稱、尺寸、形狀、外觀，以及對(duì)象之間的距離和相對(duì)位置。描述過程中可以允許受試者繪制草圖、筆記以便整理思路，但草圖筆記不作為描述成果。在受試者的描述過程中，試驗(yàn)人員記錄所有對(duì)象的描述信息，并不對(duì)受試者提供任何提示或評(píng)判。在參與者完成描述后，試驗(yàn)人員需要依照?qǐng)鼍爸袑?duì)應(yīng)對(duì)象的真實(shí)情況對(duì)描述內(nèi)容進(jìn)行評(píng)分。對(duì)于距離、尺寸、個(gè)數(shù)等定量信息，采取回答值除以真實(shí)值的方式進(jìn)行評(píng)分。對(duì)于位置方向、關(guān)系、空間對(duì)象存在性、名稱、形狀、外觀等定性信息，根據(jù)正確與否判定得分(見表2)。

表2 空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)評(píng)分項(xiàng)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

由于不同場(chǎng)景內(nèi)對(duì)象數(shù)量不同，為便于場(chǎng)景之間的得分比較，需要將每個(gè)場(chǎng)景的得分歸化為百分制，并計(jì)算不同受試者對(duì)在相同景認(rèn)知效果的平均分。結(jié)果見表3。

表3 空間認(rèn)知試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在空間格局層面上，3種展示方式的空間認(rèn)知效果沒有明顯差別。而在空間對(duì)象層面上，虛擬現(xiàn)實(shí)展示方式的空間認(rèn)知效果明顯高于其他兩類。

4 結(jié) 語

本文首先提出了一種構(gòu)建城市規(guī)劃的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的技術(shù)方法，并創(chuàng)建出一套包含多個(gè)規(guī)劃場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件成果。通過對(duì)比試驗(yàn)，證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效提升用戶對(duì)場(chǎng)景的空間認(rèn)知程度。用戶在規(guī)劃場(chǎng)景的空間格局和空間對(duì)象層面上均獲得更加準(zhǔn)確和詳細(xì)的認(rèn)知效果。

但由于試驗(yàn)的人員樣本和場(chǎng)景樣本的數(shù)量和類型都較為單一，主要表現(xiàn)在：①受試人員，樣本數(shù)量少，而且都是測(cè)繪地理信息從業(yè)人員，空間認(rèn)知能力較強(qiáng)，樣本類型單一；②試驗(yàn)場(chǎng)景的尺度和類型上同樣缺乏多樣性；③僅針對(duì)短時(shí)記憶進(jìn)行試驗(yàn)，而未對(duì)長(zhǎng)時(shí)記憶進(jìn)行試驗(yàn)。因此在后續(xù)研究試驗(yàn)中需要設(shè)計(jì)更加多樣性的受試人員和試驗(yàn)場(chǎng)景，并考慮加入實(shí)地真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的對(duì)比試驗(yàn)，從而得到更加科學(xué)可靠的結(jié)論。