利用虚拟现实技术提升规划方案的空间认知效果

张 俊，李 骁，陈 凯，叶进勇，黄斯曼

(1. 成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081； 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

为避免城市在建设中出现空间无序、生态失衡、交通拥堵等大城市病，需要在城市规划中作出科学合理的设计和审批决策。为实现这一目的，需要规划设计者和政府决策者对城市的地理空间及规划方案有充分的了解。在认知层面上表述为特定人员对特定区域、特定场景需要有较高程度的空间认知。而对于空间场景，不同的空间表达方式对观察者的空间认知程度有极大的影响[1]。

虚拟现实技术具有真实感强烈的浸入式体验。相比传统的空间表达方式，利用虚拟现实技术构建的虚拟地理场景在空间认知的各个层面均体现出显著优势[2-4]。因此可以将虚拟现实技术用于城市规划工作中，将规划方案制成空间认知效果优异的虚拟现实场景。为城市规划提供直观、准确的信息支撑，并能有效提升规划设计和决策水平，降低了公众参与的难度[5-9]。

1 规划方案表达方式的空间认知效果差异

1.1 空间认知基本概念

空间认知是认知科学的重要领域之一，主要研究人类怎样认识空间环境，具体包括对空间中物体、现象的位置、空间分布、相互关系，以及它们的变化和规律。人类依靠自身的视觉、听觉、触觉等感官获得关于时间的信息，然后依靠大脑的形象思维把信息转换为物体的大小、形状、位置及相互关系等空间信息[3]。

1.2 常见规划方案表达方式及其空间认知效果

规划方案的空间表达均以二维或三维方式实现。二维方式包括传统的纸质媒体或数字化的地图、设计图、效果图等。三维方式包括沙盘模型、三维动画、三维规划GIS系统等。

传统纸质媒体信息承载量小互动性差。数字化的地图、设计图、效果图则具有较好的动态性和交互性。空间认知模式方面，二维电子地图类似于“阅读式”，即空间信息需要通过符号化进行表达，阅读者需要进行符号解译才能形成空间认知，因此空间认知效率较低。此外对各类图形符号的解读需要一定的知识背景，使得阅读规划方案的门槛较高，不利于公众参与[1]。

三维方式的空间认知模式则类似与“观看式”。在表达内容上是以接近真实物体外观的三维模型来展示规划方案。在视角上均采用符合人类视觉习惯的透视投影，可以直观、形象地标识场景的地貌、地物要素。三维动画的画面真实感强，但不具有互动性。而三维GIS系统可以实现高互动性的自主浏览。与二维方式相比，三维方式的浏览可以减少观看者的符号解译过程，因此可以更加快捷、直接地获取所需的空间信息，认知代价更小、认知效率更高[1、10-11]。

1.3 虚拟现实场景的空间认知效果

虚拟现实场景中地理实体依然是以三维模型作为载体，通过特定的虚拟现实穿戴式设备可以让使用者获得浸入到场景之中的体验，对所感受到的虚拟物体产生了类似现实物体的存在幻觉[14]。与真实地理空间相同体验可以使得用户很容易将信息与现实相联系，缩短用户判读时的认知距离，同时在心理上产生一定程度的亲和力[3]。

在同样的三维场景中，虚拟现实技术与常规三维浏览的对比试验结果表明前者表现出更好的空间认知效果。在试验的虚拟现实场景中，用户浸入式的第一人称视角使得空间认知的各个层面上的认知效果均超过常规三维浏览方式。因此在视觉感知方面，虚拟现实场景能够协助用户感知更多的细节，增加视觉感知信息量。同时虚拟现实自然、灵活的交互方式也使得用户有更多时间和频次感知场景中空间对象、空间格局等信息[2]。

2 规划方案的虚拟现实场景制作

规划方案的虚拟现实场景制作与常规三维建模有较多区别。为提高用户的沉浸感、交互性，需要特殊的软件制作工具和硬件浏览设备，才能制作出具有极高的精细程度、视觉效果和互动性功能的虚拟现实场景。Epic公司的虚幻4三维游戏引擎凭借其强大三维场景制作和蓝图编辑功能，成为虚拟现实场景或游戏制作的首选工具[12-13]。在硬件方面HTC VIVE设备具有定位快捷、显示效果逼真、互动操作丰富等突出优势，可以有效地满足虚拟现实场景的浏览要求[14-15]。

虚拟现实场景的制作流程可分为基础三维模型的制作和虚拟现实场景优化两部分。本文以四川省天府新区虚拟现实平台为例简要说明该制作流程。

2.1 虚拟现实场景与功能设计

天府新区虚拟现实平台由多个场景构成。其中有三维全范围大场景，以及包括菁蓉中心、西部博览城的17个局部精细场景。在互动性功能方面，需要实现自由漫游、动画路径漫游、场景跳转、天气效果切换、信息查询等功能。

2.2 基础三维模型制作

在本节中，需要按照在3ds MAX中将场景中的地形、建筑要素等制成三维模型。制作过程中需要确保模型的位置、尺寸、形状、外观与真实环境或设计图纸保持一致。如图1所示，天府新区虚拟现实平台的基础建模过程采用了各类地理信息数、影像、设计图纸等作为依据。此外为便于下一阶段在虚幻4中的场景优化，需要将模型的原点位置、材质纹理、图层、文件格式等进行针对性的调整。

2.3 虚拟现实场景优化与功能开发

完成基础三维模型的制作后，需要在虚幻4中进行场景优化和互动性功能开发。场景优化目的在于构建场景的真实光影和物理碰撞等仿真模拟效果。该工作内容包括如下过程[12]：

(1) 场景模型拼接：导入该场景所属的基础三维模型，将不同的三维模型按照其真实位置进行拼接处理，构建出完整的三维模型场景。

(2) 场景光源设置：在场景中的特定位置设置光源，并通过调节光影参数模拟出日光、人工点光源、人工射灯等不同特性的光源效果。

(3) 场景材质设置：对模型的材质进行贴图和反射处理，使得模型具有真实的反射、折射、遮挡等光影效果。

(4) 物理碰撞设置：利用凸面体碰撞工具生成模型的碰撞边界，以限制漫游范围的手段实现对触觉的间接模拟。

(5) 添加其他动态要素：在场景中加入人物、动物、车辆、船只等动态模型，并设置其运动轨迹。对于人物模型，还需要精确设置其骨骼动作，以实现丰富的肢体动作(如图2所示)。

借助于虚幻4中的蓝图编辑工具，开发人员无需大量编写代码即可在蓝图中连接各类节点、时间、函数等工具，以直观的方式创建出手柄的场景跳转、自由漫游、路径漫游等互动性功能[13]。

完成了场景的制作和功能开发后，即可将全部场景打包并输出成可供HTC VIVE设备使用的可执行文件。

3 虚拟现实场景的空间认知试验

3.1 试验设计

空间认知模式包括3个层次，分别为空间特征感知、空间对象认知、空间格局认知[16]。其中空间对象与空间格局认知属于较高级的层面，本次试验将空间对象与空间格局两方面作为标准对不同展示方式的空间认知效果进行量化对比。

本次试验在天府新区虚拟现实平台成果中选取了3个场景用于对比试验，场景1和场景2为建筑群场景，场景3为室内展厅场景。每个场景均提供二维、三维和虚拟现实3种展示浏览方式(如图3所示)。受试者需要按照分配表，使用不同的方式分别对3个试验场景进行浏览(见表1)。

表1 受试者浏览方式分配

3.2 试验过程

本次试验的受试者共有6名。试验要求受试者对每个场景的进行5分钟浏览，具体路线和内容均不作限制。在受试者完成当前场景的浏览后，向试验人员描述场景内容。需要描述的内容为受试者所能回忆起的所有空间对象，包括建筑、道路、附属小品设施等。描述时要求受试者详细描述对象的名称、尺寸、形状、外观，以及对象之间的距离和相对位置。描述过程中可以允许受试者绘制草图、笔记以便整理思路，但草图笔记不作为描述成果。在受试者的描述过程中，试验人员记录所有对象的描述信息，并不对受试者提供任何提示或评判。在参与者完成描述后，试验人员需要依照场景中对应对象的真实情况对描述内容进行评分。对于距离、尺寸、个数等定量信息，采取回答值除以真实值的方式进行评分。对于位置方向、关系、空间对象存在性、名称、形状、外观等定性信息，根据正确与否判定得分(见表2)。

表2 空间认知实验评分项

3.3 试验结果

由于不同场景内对象数量不同，为便于场景之间的得分比较，需要将每个场景的得分归化为百分制，并计算不同受试者对在相同景认知效果的平均分。结果见表3。

表3 空间认知试验结果

通过试验结果可以看出，在空间格局层面上，3种展示方式的空间认知效果没有明显差别。而在空间对象层面上，虚拟现实展示方式的空间认知效果明显高于其他两类。

4 结 语

本文首先提出了一种构建城市规划的虚拟现实场景的技术方法，并创建出一套包含多个规划场景的虚拟现实软件成果。通过对比试验，证明了虚拟现实技术可以有效提升用户对场景的空间认知程度。用户在规划场景的空间格局和空间对象层面上均获得更加准确和详细的认知效果。

但由于试验的人员样本和场景样本的数量和类型都较为单一，主要表现在：①受试人员，样本数量少，而且都是测绘地理信息从业人员，空间认知能力较强，样本类型单一；②试验场景的尺度和类型上同样缺乏多样性；③仅针对短时记忆进行试验，而未对长时记忆进行试验。因此在后续研究试验中需要设计更加多样性的受试人员和试验场景，并考虑加入实地真实场景与虚拟场景的对比试验，从而得到更加科学可靠的结论。