虛擬現實技術的商業建筑互動設計方法

雷婷婷，鄒廣天

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，哈爾濱 150006； 2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學),哈爾濱 150006)

隨著商業建筑的集約化、綜合化發展，其室內空間價值逐漸凸顯.商業建筑工程量大，施工周期較長，同時作為城市中重要的公共空間應用率極高，與城市的經濟發展、多元形象展現及人們的生活娛樂都息息相關，因此設計方案的舒適度、經濟性和功能合理性十分重要.互動建筑強調參與性，可以滿足不斷變化的個人、社會、環境需求，又能通過建筑來提高生活質量[1]，在建筑設計中廣泛應用.商業建筑互動設計方法旨在運用環境行為學為建筑設計提供支持，為商業建筑設計決策提供參考依據，完善商業建筑設計體系，實現設計過程中使用者與方案的互動，使設計方案更加適應使用者行為與環境.

互動設計方法的理論基礎源于互動建筑，最早由戈登·帕斯克(Gordon Pask) 在21世紀初期提出，他的會話理論對人類如何與所處的環境進行對話并互相學習提出建議[2-3]；20世紀70年代，尼古拉斯·尼葛洛龐蒂(Nicholas Negroponte)提出了“響應式建筑”(responsive architecture)，指建筑通過人工智能的進步和組件的小型化進行建構，從而能夠智能地識別使用者活動、響應其需求以及內外部環境變化的建筑[4]；20世紀80年代后期由比爾·莫格里奇提出“交互設計”概念并應用于數字技術以及新媒體技術方面[5].該理論以“可用性”與“用戶體驗”為核心，旨在規劃和描述環境或生物的行為方式，由此在建筑設計中以使用者行為需求為導向的理論方法上填補了空白[6].

現有的互動設計研究成果多側重于互動的多媒體技術及表現形式方面，對于使用者與設計方案之間的互動研究較少.因此，本文在借鑒已有研究理論的基礎上建構商業建筑互動設計方法，從使用者心理過程及行為的反饋來引導設計.如圖1所示，該方法主要依靠虛擬現實技術，在設計初期建立真實尺寸的商業建筑來獲得設計方案的實景，繼而應用虛擬模型進行模擬實驗，對被測者的相關調查數據的分析來發現方案中不符合使用需求的設計內容，對其進行修改重構，由此形成一個積極的反饋循環，這也是區別于傳統的單向推進設計流程的方法.

1 基于虛擬現實技術的商業建筑互動設計思維與方法

應用虛擬現實技術的互動設計強調體驗感，使用者在接近真實的空間中產生下意識的反應及相關行為，可以更直觀真實的記錄人的活動狀態和心理情緒[7].與傳統的通過二維圖像及語言形容進行的設計及溝通方式相比更加直觀.虛擬現實技術集成了人機交互技術、傳感技術、人機環境同步等，可以有效采集被測者的反饋并進行數據化分析，由此提高了設計人員的工作效率，同時也節約了成本保證了設計方案的質量(如圖2所示).

圖1 傳統設計流程與互動設計流程理念示意

圖2 互動設計方法流程

1.1 互動設計的理論基礎

建筑互動設計的互動性體現在兩個方面，一是指大眾參與建筑設計，二是指建筑空間中通過信息技術的介入讓人與建筑形成了一種明顯的動態體系，從而進行互動[8].傳統方法中大多僅能實現設計者思想的單向表達，而互動設計方法是經使用者與虛擬仿真的設計方案互動后，產生一系列行為帶來的各種關聯變量，從而反饋給設計者.

互動設計通過虛實結合的信息呈現、實時互動的虛擬漫游體驗、信息反饋與方案優選等流程，通過在虛擬現實場景中被測者的行為總結得到使用行為的普遍規律，或通過在虛擬現實模型中得到的動態影像與計算機圖像識別等方法對其進行分析處理，從而得到影響因子或有效數據等，設計師可以根據分析結果并結合自身經驗對設計方案進行優化.

1.2 互動設計的方法流程

1.2.1 調研采集設計影響因子

互動設計方法的理論基礎來源于環境行為學下的相互滲透論，該理論指出人對環境具有的能動作用既包含物質、功能性的作用，也包含價值賦予和再解釋的作用[9].該方法的核心是以使用者的行為為導向，對環境進行分析并以此為依據進行設計.本文通過對商業空間使用情況的調研，總結當代消費者的行為與心理特征，分析影響商業建筑使用情況的因素以指導商業建筑設計.

1.2.2 虛擬場景的實現

初步設計方案經過斟酌修改后進行確認設計，應用AutoCAD等傳統建模軟件將方案進行矢量化.在已確定的建筑模型上進行虛擬現實的場景構建，利用3DSmax、Revit、Mars等軟件進行三維仿真建模及虛擬現實場景渲染.在建模過程中對于建筑內部空間應嚴格按照模型實際尺寸、比例、結構，最大程度還原建筑空間實際形態.同時在滿足被測者正確認知的前提下，可通過簡化次要構件及繁雜細部等方法優化模型，以確保硬件設備運行的流暢性.

1.2.3 空間體驗及行為模擬

在虛擬的三維仿真模型中，被測者可進行多種感官體驗，并應用眼動儀等生理數據采集設備或主觀問卷調查等方法得到心理及行為信息；或應用Unity 3D、MassMotion 3D等軟件，在模型中進行各種行為模擬實驗.由于虛擬空間的數位特性，可以在工作環境里預設統計程序，自動記載運動軌跡等大量的行為信息，以此分析使用者的行為特征；也可利用圖像識別等人工智能分析方法與虛擬現實交互式動態三維視景對接，模擬行為并得到量化結果.

1.2.4 信息反饋與方案優選

虛擬場景里可以實時反饋使用者發生的互動行為，并能保證反饋信息的高效性和針對性.可使用數據統計分析方法、模糊評價法等對其進行分析，據此科學地反映出數據的內在規律，使得到的結果更合理.通過該分析結果，設計者可以預估方案建成后的使用狀況和使用者的需求，從而有針對性地對原有設計進行優化及修正.

2 商業建筑空間使用行為調研與分析

為檢驗方法的有效性和可行性，本文結合意大利米蘭商業中心的調研，舉例介紹商業建筑互動設計方法的應用.

2.1 案例的選取與調研

本文對意大利米蘭市中較受歡迎的兩處商場為例進行調研，由于米蘭市素有意大利經濟首都之稱，經濟的繁榮造就其商業建筑歷史悠久且發展成熟，其商業建筑設計對全球商業建筑的發展有著巨大的影響力，所以該調研對于商業建筑的研究有著重要的意義[10].本文選取的兩處商場為米蘭市典型的商業建筑，具有層數少，單層面積大，注重公共空間的環境塑造、公共設施完備等特征[11].筆者在走訪了米蘭的5家大型商業建筑后選擇了位于米蘭市郊的旋轉木馬購物中心(Carosello shopping center)和市中心的城市生活購物區(Citylife shopping district)，這兩個商業綜合體都屬于多功能復合型且運營模式成熟的典型案例.兩個購物中心面積均超過30 000 m2，旋轉木馬購物中心是意大利20世紀90年代最具代表性的購物中心，由于位置和開業時間等原因，其主要服務人群為周邊居民及中老年人；城市生活購物區則是現代商場的代表，極具特征的建筑外形使其成為米蘭市新地標，主要服務于市中心居住的市民及游客，尤其受年輕人喜愛，筆者調研時城市生活購物區雖開業不足一個月卻已迎來超過一百萬人次的客流量，城市生活項目中的住宅、室外公共活動區及配套設施等在2009年開始逐步面向大眾開放，備受游客及市民喜愛[12].如圖3所示分別為兩個商場的室內現狀與平面交通流線.

本次調研的目的在于對使用者在商業建筑室內的行為特征進行研究，探討影響使用者選擇商業建筑的驅動因素.通過文獻[13-15]發現，對于商業建筑室內空間的驅動因素研究主要從空間感知、商業業態分布、平面與功能，建筑及選址特征、環境與公共設施情況等方面展開.筆者對米蘭消費者購物過程需求的預調研發現，大多數來商場活動的市民不在乎時間成本，而是更愿意得到一個愉悅的購物過程，希望從商場空間獲得資訊信息，并進行購物、餐飲、會友、親子、散步、欣賞、參觀、休憩等活動.綜上所述，本文結合米蘭消費者的心理與行為特征建立調查問卷的指標體系，主要體現使用者對商業空間的平面與功能、空間感知、建筑外部特征等方面的主觀感受及行為特征.

于2018年2月在米蘭市的兩個商場開展了商業建筑使用行為特征及滿意度調研，在每個購物中心隨機發放了100份問卷調查，共發放200份問卷，有效問卷192份，有效回收率為96.0%.問卷內容包括受訪者基本信息與使用行為模式信息.

圖3 兩個商場現狀與平面圖

本文主要研究使用者的尋路行為，將調查問卷中尋路經歷數據單獨提取.關于尋路經歷主觀感受的調查選項和各選項占比數值見表1，從中可以看出使用者對于兩個商場的平面布局熟悉度和方向感知的主觀感受存在較大差異.

表1 受訪者尋路經歷調研數值

兩個商場使用頻率數據將作為相關變量Y出現，為使用者對該商場喜愛程度的評判標準(如圖4所示).在旋轉木馬商場調查中選擇一個月去多次的占比最大，為39.58%，而城市生活商場中占比最高選項是第1次來，為58.33%.根據筆者現場訪問發現兩個商場購物頻率差異主要原因為旋轉木馬商場在米蘭營業時間較長，而城市生活商業區在筆者調研時剛剛開業一個月，市民對其不熟悉.

圖4 受訪者對兩個商場的使用頻率數值

2.2 數據分析

按照調查問卷中使用者對商場主觀感受的3個方面提取影響因素并依次進行了分類及編號，共得到7項主要影響因素，分別為交通流線、功能布局、空間識別性、內部空間熟悉度、環境滿意度、建筑特征及交通可達性，并用X1-X7來標記(見表2).應用SPSS將各個因子X分別與使用頻率Y進行相關性分析，可以發現空間平面布局，空間識別性以及空間熟悉度與使用頻率均存在顯著的相關性，其相關系數均在P≤0.01的顯著水平上；在3個相關性顯著的因子中空間識別性、熟悉度同屬于空間感知這一大類別，由此推測空間感知相較于空間功能與建筑外部特征是對使用者影響更大的驅動因素(見表3).

表2 調查問卷的提取分類

表3 受訪者使用行為與商場使用頻率相關性分析

2.3 調研分析

根據米蘭市兩個商場使用者行為的調研結果得知空間感知是影響商場使用頻率的主要因素之一.人對氛圍的感知來自空間與環境的關系、空間相互之間的關系等，環境即成為空間感知的“界面”，所以環境與人之間的相對關系成為空間感知的重要參照[16-17].而視覺作為人類獲取外界信息最重要的感官，視覺感知是空間體驗最基本的方式，是情感體驗的基礎[18].

通過對尋路經歷的滿意度及改善建議進行訪問，結果中對尋路經歷表示不滿意或一般滿意的受訪者大多都建議改善商場中的導引系統及一些功能空間的可達性.

3 基于虛擬現實技術的互動設計方法應用

根據調研得到的分析結果，本文將以商業建筑室內標識系統的優化設計為例，對商業建筑互動設計方法進行實踐應用.

3.1 設計內容的虛擬仿真

由上文調研發現認知空間是影響使用者選擇商業空間的重要因素，因此本文對商業空間中的標識系統進行優化設計研究，提升空間認知度.互動設計方法的第1步是對商業建筑空間模型的虛擬建構，應用虛擬現實三維軟件MARS，結合某商業空間設計方案進行仿真建模，得到虛擬空間S，如圖5所示.為優化操作體驗，在建筑空間的虛擬建構中，僅對室內空間中必要的交通空間和裝飾元素進行建構，最大程度地降低模型渲染面數，減少系統運算.

圖5 原始模型與軟件渲染后的虛擬現實場景

對目前商場中廣泛應用的標識系統進行歸納分析，借鑒了應用較多的標識設計原素，總結得到了兩套風格不同的標識集合并建立模型，記為集合A與集合B，每個集合中包含11種標識，如圖6所示.標識集合A在顏色上以灰色系為主色，搭配1～2種裝飾色，形態上以單一的長方形為主；集合B在色彩上以明快的顏色為主色調，搭配多種裝飾顏色，形態上以幾何體或異形為主.將兩套標識集合以相同的分布和擺放方式分別置于虛擬商業室內空間S中，得到虛擬空間SA和SB(如圖7所示).最后，利用虛擬現實動態視景技術，以使用者的視角用相同的路線和行進速度在SA和SB中分別進行漫游，并得到在不同標識集合中漫游視野視頻數據，供后續分析使用.

圖7 局部空間標識位置示意

3.2 空間場景的互動與反饋

根據標識系統以視覺導向為主的特點，在本文中選擇應用基于ResNet神經網絡結構的目標識別模型進行分析.該模型可與動態視景對接，模擬使用者在虛擬商業建筑中漫游過程的視覺體驗，并對商業建筑室內空間中的標識系統做出有效的量化評價[19].

3.2.1 基于目標檢測的行為模擬識別度分析方法

虛擬現實視頻數據集SA和SB模擬了使用者在商業建筑中漫游的過程，在此基礎上可基于目標檢測模型來模擬使用者的視覺體驗，從而對商業建筑中的標識設計進行量化評估，具體流程如圖8所示.

圖8 基于目標檢測的分析方法流程

應用上述目標標識檢測模型來對標識集合A和標識集合B構建出的虛擬現實漫游視頻分別進行檢測，得到對整個漫游過程中的識別結果，結果包括在當前視野中識別出的標識位置、類別以及置信度打分(置信度分值表示這個類別出現在邊界框中的概率以及此邊界框大小的合適程度)，如圖9所示.其中一幀的識別結果示例.

由于視頻中的每一幀都代表使用者當前時刻的視野，幀與幀之間的前后順序對應了使用者在行走和視角改變時的動態變化.因此，將所有幀的檢測結果聯合起來進行相關分析可有效地分析出在這種互動狀態下，不同標識設計效果的優劣.

圖9 虛擬場景中的識別結果

3.2.2 行為模擬識別度的量化反饋

在標識顯著性方面，主要以置信度打分作評判標準，它代表了檢測模型對于當前識別出的標識的置信程度，對應于使用者“是否看清”這個標識[20].在標識距離使用者較遠時，通常置信度打分較低，距離較近時則相反.因此，置信度的分值可以表達標識的顯著性特征，即標識是否易識別、易被發現等.兩套方案在顯著性上標識集合A的全類別識別用時均值為0.68 s，標識集合B全類別識別用時均值為0.46 s；在區分度上標識集合A全類別標識誤識更正用時0.28 s，標識集合B全類別標識誤識更正用時0.11 s.每一組標識集合的11個標識類別的置信度均值如圖10所示.

圖10 兩組集合11類標識的置信度均值

3.3 識別結果的數據分析與修正

本文從結果可以發現在顯著性方面，標識集合B的置信度的平均值與平均識別用時均小于標識集合A，說明標識集合B在相同的商業建筑環境下更容易被使用者所識別，能夠更快速地傳遞相關信息；在區分度方面，標識集合B的誤識更正用時要比標識集合A的用時短，說明標識集合B中不同類別標識之間更容易區分.

標識牌的顏色、形態及表達方式對使用者的易識別度與易區分度都有很大影響，商業空間中的B類標識系統比A類更容易被使用者關注和接受，說明B類標識的形態表達具有更高的視覺感知度.由此，采用醒目的顏色并與多種色彩搭配使用可以有效提高易識別度.標識系統在形態設計上應打破目前常用的以常規形狀為主、一套標識單一形態的設計方法，多樣形或異形組合可有效提高易區分度.標識系統以圖片與文字相結合的表達方式比單純的文字表現更有效.

4 結 論

1)應用虛擬現實技術于互動設計方法中，為商業建筑設計提供新思路.本文針對商業建筑室內空間特征，利用虛擬現實技術，以環境行為學下的相互滲透論為指導思想，得到以使用者與設計方案之間的互動反饋為主要過程的商業建筑互動設計方法.

2)以意大利米蘭市兩個商業中心為例進行調研，分析使用者行為特征，總結得到影響使用者選擇商業建筑的主要驅動力.對使用者購物行為調研數據進行相關性分析，得到與使用頻率呈顯著相關的影響因素為平面布局、空間識別性、空間熟悉度.由此分析空間感知相較于空間功能及外部特征是影響使用者選擇商業空間的更大驅動因素.

3)根據互動建筑的思想總結得到商業建筑互動設計的思維流程與方法.利用虛擬現實技術模擬商業建筑空間，得到具有逼真互動體驗感的設計方案，據此獲得使用者直觀有效的行為反饋并進行相關分析.并以商業建筑中的標識系統優化設計為例展現互動設計的方法流程，該方法對于標識系統以及商業建筑的設計具有普適性和推廣性.