利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提升規(guī)劃方案的空間認知效果

張 俊，李 驍，陳 凱，葉進勇，黃斯曼

(1. 成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081； 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室，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)劃中作出科學合理的設(shè)計和審批決策。為實現(xiàn)這一目的，需要規(guī)劃設(shè)計者和政府決策者對城市的地理空間及規(guī)劃方案有充分的了解。在認知層面上表述為特定人員對特定區(qū)域、特定場景需要有較高程度的空間認知。而對于空間場景，不同的空間表達方式對觀察者的空間認知程度有極大的影響[1]。

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

1 規(guī)劃方案表達方式的空間認知效果差異

1.1 空間認知基本概念

空間認知是認知科學的重要領(lǐng)域之一，主要研究人類怎樣認識空間環(huán)境，具體包括對空間中物體、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)劃方案表達方式及其空間認知效果

規(guī)劃方案的空間表達均以二維或三維方式實現(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)計圖、效果圖等。三維方式包括沙盤模型、三維動畫、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性差。數(shù)字化的地圖、設(shè)計圖、效果圖則具有較好的動態(tài)性和交互性?？臻g認知模式方面，二維電子地圖類似于“閱讀式”，即空間信息需要通過符號化進行表達，閱讀者需要進行符號解譯才能形成空間認知，因此空間認知效率較低。此外對各類圖形符號的解讀需要一定的知識背景，使得閱讀規(guī)劃方案的門檻較高，不利于公眾參與[1]。

三維方式的空間認知模式則類似與“觀看式”。在表達內(nèi)容上是以接近真實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慣的透視投影，可以直觀、形象地標識場景的地貌、地物要素。三維動畫的畫面真實感強，但不具有互動性。而三維GIS系統(tǒng)可以實現(xiàn)高互動性的自主瀏覽。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，認知代價更小、認知效率更高[1、10-11]。

1.3 虛擬現(xiàn)實場景的空間認知效果

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

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

2 規(guī)劃方案的虛擬現(xiàn)實場景制作

規(guī)劃方案的虛擬現(xiàn)實場景制作與常規(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程度、視覺效果和互動性功能的虛擬現(xiàn)實場景。Epic公司的虛幻4三維游戲引擎憑借其強大三維場景制作和藍圖編輯功能，成為虛擬現(xiàn)實場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、互動操作豐富等突出優(yōu)勢，可以有效地滿足虛擬現(xiàn)實場景的瀏覽要求[14-15]。

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

2.1 虛擬現(xiàn)實場景與功能設(shè)計

天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實平臺由多個場景構(gòu)成。其中有三維全范圍大場景，以及包括菁蓉中心、西部博覽城的17個局部精細場景。在互動性功能方面，需要實現(xiàn)自由漫游、動畫路徑漫游、場景跳轉(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、外觀與真實環(huán)境或設(shè)計圖紙保持一致。如圖1所示，天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實平臺的基礎(chǔ)建模過程采用了各類地理信息數(shù)、影像、設(shè)計圖紙等作為依據(jù)。此外為便于下一階段在虛幻4中的場景優(yōu)化，需要將模型的原點位置、材質(zhì)紋理、圖層、文件格式等進行針對性的調(diào)整。

2.3 虛擬現(xiàn)實場景優(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中進行場景優(yōu)化和互動性功能開發(fā)。場景優(yōu)化目的在于構(gòu)建場景的真實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) 場景模型拼接：導(dǎo)入該場景所屬的基礎(chǔ)三維模型，將不同的三維模型按照其真實位置進行拼接處理，構(gòu)建出完整的三維模型場景。

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

(3) 場景材質(zhì)設(shè)置：對模型的材質(zhì)進行貼圖和反射處理，使得模型具有真實的反射、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現(xiàn)對觸覺的間接模擬。

(5) 添加其他動態(tài)要素：在場景中加入人物、動物、車輛、船只等動態(tài)模型，并設(shè)置其運動軌跡。對于人物模型，還需要精確設(shè)置其骨骼動作，以實現(xiàn)豐富的肢體動作(如圖2所示)。

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

完成了場景的制作和功能開發(fā)后，即可將全部場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)實場景的空間認知試驗

3.1 試驗設(shè)計

空間認知模式包括3個層次，分別為空間特征感知、空間對象認知、空間格局認知[16]。其中空間對象與空間格局認知屬于較高級的層面，本次試驗將空間對象與空間格局兩方面作為標準對不同展示方式的空間認知效果進行量化對比。

本次試驗在天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實平臺成果中選取了3個場景用于對比試驗，場景1和場景2為建筑群場景，場景3為室內(nèi)展廳場景。每個場景均提供二維、三維和虛擬現(xiàn)實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3個試驗場景進行瀏覽(見表1)。

表1 受試者瀏覽方式分配

3.2 試驗過程

本次試驗的受試者共有6名。試驗要求受試者對每個場景的進行5分鐘瀏覽，具體路線和內(nèi)容均不作限制。在受試者完成當前場景的瀏覽后，向試驗人員描述場景內(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象，包括建筑、道路、附屬小品設(shè)施等。描述時要求受試者詳細描述對象的名稱、尺寸、形狀、外觀，以及對象之間的距離和相對位置。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，試驗人員記錄所有對象的描述信息，并不對受試者提供任何提示或評判。在參與者完成描述后，試驗人員需要依照場景中對應(yīng)對象的真實情況對描述內(nèi)容進行評分。對于距離、尺寸、個數(shù)等定量信息，采取回答值除以真實值的方式進行評分。對于位置方向、關(guān)系、空間對象存在性、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 空間認知實驗評分項

3.3 試驗結(jié)果

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

表3 空間認知試驗結(jié)果

通過試驗結(jié)果可以看出，在空間格局層面上，3種展示方式的空間認知效果沒有明顯差別。而在空間對象層面上，虛擬現(xiàn)實展示方式的空間認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)實場景的技術(shù)方法，并創(chuàng)建出一套包含多個規(guī)劃場景的虛擬現(xiàn)實軟件成果。通過對比試驗，證明了虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以有效提升用戶對場景的空間認知程度。用戶在規(guī)劃場景的空間格局和空間對象層面上均獲得更加準確和詳細的認知效果。

但由于試驗的人員樣本和場景樣本的數(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，而且都是測繪地理信息從業(yè)人員，空間認知能力較強，樣本類型單一；②試驗場景的尺度和類型上同樣缺乏多樣性；③僅針對短時記憶進行試驗，而未對長時記憶進行試驗。因此在后續(xù)研究試驗中需要設(shè)計更加多樣性的受試人員和試驗場景，并考慮加入實地真實場景與虛擬場景的對比試驗，從而得到更加科學可靠的結(jié)論。