基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块构建与应用
摘要：尺度感教学是景观规划设计基础教学中的重要组成部分，本研究开发了基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块。介绍了这一教学应用程序的原理、开发、应用及教学效果，并应用这一模块评价学生的空间尺度感，及对不同尺度空间的感知。结果表明，这一教学模块可较为真实地模拟真实场景的空间特征，提供体验不同尺度室内外三维场景的机会，帮助训练准确的空间尺度感。分析表明参与学生对垂直高度的判断最准确，对使用者密度的估算最不准确。尺度感知方面，35m×50m及以上的广场有开阔感，4m左右的游步道宽度较为适中。对于广场与游步道，10m2/人的密度会觉得拥挤，15m2/人的密度较为适中。最后，讨论了这一教学模块的优点与不足，及浸入式虚拟沉浸技术为规划设计教学与实践带来的机遇与挑战。
关键词：风景园林；尺度感；浸入式虚拟环境技术；广场；游步道；设计教学
文章编号：1000-6664(2018)04-0068-06
中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2017-03-27
修回日期：2018-01-14
基金项目：国家自然科学基金青年项目“面向高品质游憩体验的城市公园内部空间组织特征定量研究(编号51508390)”、中央高校基本科研业务费专项资金(编号22120180069)、同济大学2015年青年优秀人才计划“基于空间句法理论的城市公园空间组织特征定量研究(编号0100219171)”、同济大学国家级建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心、同济大学“一拔尖、三卓越”特色项目“在线建筑虚拟仿真实验教学体系建构”和同济大学教学改革研究与建设项目共同资助
Abstract: Sense of scale is an important part in landscape architecture studio teaching. Based on immersive virtual environment technology, this study develops a landscape sense of scale teaching module. The article introduces the principle, development, application and teaching performance of the module, and illustrates how to evaluate students' sense of scale and their perceptions toward different spaces utilizing the module. The result indicates that this teaching module can simulate real environments effectively, and provides students with opportunities to experience different indoor and outdoor environments, thus improve their sense of scale. The analyses suggest that students have a relatively accurate sense of scale toward height, but did not do well in assessing users' density. In term of spatial perception, students feel open on the square larger than 35m×50m, and feel comfortable on the trail with width around 4 meters. For square and trail, students feel crowded when the density is 10m2 per person, but feel comfortable when the density is 15m2per person. Finally, advantages and disadvantages of the module, as well as chances and challenges brought by the immersive virtual technology are discussed.
Key words: landscape architecture; sense of scale; immersive virtual environment technology; square; trail; studio teaching
1 研究背景与目的
建成环境的空间特征可以极大地影响其使用与功能，及使用者的心理体验[1]，十分重要。空间特征可以从2个层面探讨，包括单一空间的空间特征与多个空间之间的空间组织关系。对于第一层面，单一物质空间被2种物体所限定，包括围绕单一空间的物体，及存在于单一空间内的物体[2]。在建筑设计[3]、城市设计[4-6]及景观设计领域[7]，学者们提出了多种认知模型与测量指标，用于测量单一空间的空间特征。在所有相关测量指标中，空间尺度是影响空间感知与空间体验的最重要指标之一。例如，低矮狭小的空间使人感觉压抑，而开阔宽敞的空间使人心情舒畅；狭窄的线性空间引导游人快速通过，宽敞的块状空间则能激发停留欲望。同时，空间尺度贯穿建成环境设计的整个过程[8]，尺度感教学也是景观规划设计基础教学中的重要组成部分。教学中，需要引导学生体验不同尺度空间，建立这些空间不同功能与体验的理性认识，培养准确的尺度感。现有教学中，多依赖于实地参观与测绘作业培养尺度感，受限于场地与时间，很难提供体验各种尺度空间的机会。虚拟环境技术为景观规划设计教学与实践提供了崭新的工具与契机。本研究开发了基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块，介绍了这一教学应用程序的原理、开发、应用及教学效果。并在具体应用中考查学生对不同尺度空间的感知与评价，以期为今后的景观设计教学与实践提供借鉴。
图1 浸入式虚拟环境的投射(作者绘)
2 浸入式虚拟环境(Immersive Virtual Environment)
浸入式虚拟环境技术利用人工创造的虚拟环境将使用者“包裹”起来，并提供一系列连续的交互体验与刺激，使体验者可以与环境互动，就好像在真实环境中一样[9]。与传统的二维图像相比，浸入式虚拟环境可以提供从不同角度与视野360度体验的机会[10]，增强体验的真实感与现场感[11-12]。这一技术已被大量应用到心理感知与心理健康领域的研究中[13-14]。
浸入式虚拟环境主要由三部分组成，包括：1)供使用者体验的虚拟环境，2)记录使用者动作的追踪系统，3)根据追踪系统的数据计算，展示不同虚拟环境的计算机[11]。以头戴式虚拟环境体验设备为例，首先需要在计算机中建立供使用者体验的虚拟三维环境。通常，根据坐标系，构建一个虚拟的立方体或球体，并将相应画面投射到立方体或球体内部各个面上。如果将体验者的观测点置于这一立方体或球体内部，使用者的所有方向都投射有虚拟环境的画面，便产生了沉浸在某一真实环境的错觉(图1)。
3 基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块
基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块，可方便构建空间尺度不同的虚拟环境，通过Oculus眼镜或屏幕供学生体验这些环境，测试学生空间尺度感的准确性。教学模块包括场景设置端、体验端与考核端。
3.1 设置端：构建广场、游步道与室内房间虚拟三维场景
设置端中，教师可构建3类虚拟场景，包括广场、游步道与室内房间。通过改动场景空间参数的数值，创建尺度不同的三维场景(表1)。室外空间使用者密度能对游憩体验产生重要影响，模块也可设置室外三维场景的游人密度。
场景创建包括三步，首先设定场景的空间参数(图2)，对广场来说，包括广场的宽度、长度及使用者密度，这些指标可设为大于0的任意数值。对于游人密度，通过随机命令放置虚拟使用者。即规定使用者的相互距离大于1m，在此前提下，随机放置使用者。虚拟使用者为三维人物插件。设好空间参数后，界面将自动跳转出平面图，并以1m×1m的栅格为底图，方便教师进一步设置。第二步，在设定好的广场周围布局不同高度的树木与建筑，限定室外道路周围的竖向空间。这些建筑与树木的高度各异，建筑的高度分别为10、20与30m，树木的高度包括3、7与10m。教师可在1m×1m的网格交点上布置树木与建筑，树木的中心点将落在这些交叉点上。同时，可通过移动与旋转命令进行调整。第三步，指定观测点。教师可布置一个或多个观测点供学生体验，例如广场的中心与边界等处，并通过3D视角随时查看所创建的场景。基于一般人的视线高度，观测点的高度预先设置为1.6m。设置好场景后，可将场景储存在数据文件夹，并为其命名，以备后续调用。在设置虚拟场景时，可随时切换三维视角，根据选好的观测点，在三维空间中观测创建好的场景。游步道与室内房间的虚拟场景设置与广场类似(图3)。
3.2 三维虚拟场景的调取与体验
创建好的三维虚拟场景可通过体验端根据文件名调取。学生可通过2种方式体验，包括屏幕体验与Oculus眼镜体验。
3.2.1 屏幕体验
屏幕体验指利用电脑屏幕体验创建好的场景，类似于Sketch up与3D Max软件中利用电脑屏幕展示场景。体验中，屏幕上会展示在已选好的观测点上使用者能看到的场景。利用键盘可在不同观测点之间切换，通过键盘上方向键也可向4个方向平移观测位置，以便了解整个场景。与传统的三维软件不同，在观测过程中，所有的观测点均位于1.60m的视高，以便接近于真实视高。
3.2.2 Oculus眼镜体验
1)Oculus眼镜的组成与工作原理。
Oculus眼镜是Oculus公司研发生产的虚拟环境头戴式体验设备，最初为三维电脑游戏研发。因其提供了较逼真地体验虚拟环境的可能，这一设备与技术已被应用到医疗、教育等多个领域。Oculus眼镜主要由三部分组成，包括左右眼镜片、高清晰显示屏及追踪系统[15]。左右眼镜片使左右眼看到不同内容，创造视觉焦点。叠加左右眼镜片内的场景便能创造空间的景深。高清显示仪位于镜片的前方，用于显示立体场景。使左右眼看到的场景有水平位移，创造立体感。显示屏前方为追踪系统，包括测算方向与角度的陀螺仪、速度传感器与指南针定位系统等，这一追踪体系能时刻记录使用者的头部运动。
Oculus眼镜有设定好的三维坐标体系与原点。当使用者穿戴好Oculus眼镜后，眼镜内的传感追踪系统能时时追踪使用者的头部运动，例如头部的角度与方向等，将数据传回计算机(图4)。根据这些传感数据，计算机计算使用者此时的视线方向，及使用者在虚拟环境中能看到的部分，并及时将相应画面显示在显示屏上。这一计算与显示过程极短，以保证使用者有一个连续的视觉体验，并产生眼前景象随自己视线变化而相应变化的错觉。例如，当使用者抬头向左上方看时，传感系统能迅速计算使用者头部相对于坐标系原点的角度与位移，并推测使用者的视域范围。例如房间的左上角，从而将房间左上角的图像投射在显示屏上。
2)佩戴Oculus眼镜体验虚拟空间。
教学模块中，教师可通过体验端读取已创建好的虚拟场景。安装启动程序，佩戴好Oculus眼镜的学生便可体验虚拟场景了。电脑屏幕上将展示学生看到的三维场景，因此教师可了解学生看到的图像。体验中，学生可在已设定好的不同观测位置上观察场景，也可利用手柄方向键在场景中自由移动(图5)。
图2 在设置端设置虚拟广场(作者绘)
图3 在设置端设置虚拟游步道(作者绘)
3.3 教学模块的考核端
考核端可评估学生的空间尺度感，找出薄弱环节，在今后教学中着重提高。考核中，学生体验不同尺度的室内外空间，并按要求回答虚拟场景的关键空间尺度参数，例如，长度、宽度与高度。学生通过屏幕体验虚拟场景时，可按提示输入相关问题的答案，后台将记录学生的学号及答案，按已设定好的公式计算得分，上传到实验室平台，供教师查阅。学生佩戴Oculus眼镜体验时，需助教记录每一问题的答案，最后计算相应分数。
4 教学模块的应用与空间尺度感知评价
为考查这一教学模块的运行与效果，邀请同学进行测试，并收集其对不同尺度空间的评价。
图4 Oculus 眼镜的工作原理(作者绘)
图5 学生佩戴Oculus眼镜体验三维虚拟场景(作者摄)4.1 参与者与分组
共有26位大三和大四的学生参加测试，年龄在21~23岁之间。其中21位女同学，占总人数的80.8%；22位同学来自规划设计专业，占总人数的84.6%。参与者分为体验考核组与考核组。体验考核组共15位同学，这些同学首先体验3种类型的室内外空间各一个，体验中，助教会告知这些场景的关键空间尺度参数的数值，例如广场的宽度等，再进行测试。考核组没有体验环节，直接进入考核。对比体验考核组与考核组评估结果，可考查教学模块对学生空间尺度感准确性提升的影响。
4.2 虚拟场景
实验涉及3种室内外场景，包括广场、游步道与室内房间，具体空间参数如表2所示。空间边界的高度、空间的平面尺度可以极大地影响尺度感[16]，因而所选参数着重考虑这三方面。教师在平台建立若干大小不一的3种虚拟场景，考核中随机出现。各个同学所体验的场景及顺序各不相同。
4.3 测试过程
每位同学参加测试的时间为10~15min。首先，助教记录参与同学的年龄、学号、姓名等基本信息，并为其佩戴Oculus眼镜，调整固定带的松紧，保证传感追踪系统正常工作。并告知参与同学在场景转换时闭眼以防眩晕。第二，为体验考核组的同学展示3种示例场景，并告知其空间尺度信息。第三，请同学体验3种空间类型，每种类型2种场景，共计6个场景。每个场景持续1~2min，体验中，请参与同学回答以下问题：
1)这一场景的长、宽、高等空间参数是多少？
2)请描述身处这一场景时的空间感受是怎样的，例如，开敞还是围合感较强，是否觉得拥挤等？
3)请对以上场景空间感真实性打分，5分为很真实，1分为很不真实；
4)请对以上场景要素的真实性打分，例如树木与建筑的逼真程度，5分为很真实，1分为很不真实。
4.4 测试数据分析
4.4.1 有效数据与空间参数估算误差
共收集624项空间参数数据，其中一室内房间数据设置有误，相关数据删除后，共有600项有效数据。体验考核组351项，考核组249项。可分为3类，244项水平距离数据，252项垂直高度数据，104项使用者密度数据。
以学生估算结果与虚拟场景真实尺度差的绝对值(Abs)，即估算误差评价空间尺度感的准确性。估算误差的值越小，空间尺度感越准确。例如，虚拟场景房间的长为A1，估算结果为A2。估算误差Abs即为|A1-A2|。计算公式为：
4.4.2 虚拟场景体验可提升空间尺度感的准确性
对比体验考核组与考核组，方差分析显示两组数未有显著差别(p=0.454)。但是，体验考核组平均误差为0.309 9，考核组平均误差为0.330 7。体验考核组误差低于考核组，因此虚拟环境体验能在一定程度上提升空间尺度感的准确性。值得一提的是，测试中，每位同学仅短时间体验了以上3种场景，如利用教学模块，多次体验不同尺度的虚拟场景，其估算误差可能会进一步减小。
4.4.3 空间尺度感准确性——空间类别层面：垂直高度>水平距离>使用者密度
垂直高度指房间高、树高与建筑高，水平距离指虚拟场景的长宽等，使用者密度单位为平方米/人。方差检验得出数据为非齐性，用Dunnett-t3检验较正并进行两两比较(表3)。结果显示，两两比较时均显著(95%置信区间)。估算误差均值方面，使用者密度>水平距离>垂直距离。因此，学生对垂直高度的空间尺度感最为准确，而对使用者密度的估算最不准确。对垂直高度来说，室内房间、树木与建筑高度估测的准确性没有明显差别(p=0.824)。水平距离中，对于房间长宽、广场长宽与游步道宽度的估测准确性也没有显著差异(p=0 .543)。
4.4.4 空间尺度感准确性——场景类别：无明显差异
空间场景包括室内房间、广场与游步道3种。方差检验得出数据为非齐性，用Dunnett-t3检验较正并进行两两比较(表4)。结果显示，两两比较时均不显著(95%置信区间)。即同学们对3种不同类型空间尺度感的准确性无明显差异(表4)。总体来讲，对室内房间尺度估测的误差较小，对游步道及其周围建筑与树木尺度估测的误差较大。
4.4.5 虚拟环境真实性评价
19位同学评价了所体验虚拟场景的真实性，包括空间感真实性与要素真实性，满分为5分。空间感真实性平均分为3.69，分数主要集中在4分(36.5%)与3分(36.5%)。要素真实性平均分为2.68，分数主要集中在3分(45.9%)与2分(37.8%)。这一结果表明所构建的虚拟场景可较为真实地反应室内外环境的空间尺度特征，但模型的真实性有待提高，例如，布置更真实的建筑与树木等。
4.4.6 空间开敞性与游人密度评价
利用内容分析法分析参与者对虚拟场景空间开敞性与游人密度的感知与评价(表5)。20m×15m×5m及以上的室内空间使人感觉宽敞；35m×50m及以上的广场空间使人觉得开阔。小于2m的游步道使人觉得狭窄，4m左右的游步道宽度较为适中。对于室外场地与广场，当游人密度为10m2/人时，85%以上的同学觉得拥挤；当游人密度为15m2/人时，85%的同学觉得游人量适中或不拥挤。
5 基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块的优势、不足与展望
本研究开发了基于浸入式虚拟环境技术的景观空间尺度感教学模块，相比传统教学方法，这一教学模块主要有4个优势。首先，打破时间与场地对教学的限制，教师不需要在现实中寻找具有不同空间特征的广场与游步道，学生也无须实地探访。第二，提供体验多种空间的机会，通过修改三维场景的空间参数可使同学们体验多种室内外空间，尤其是在现实中很难体验到的空间。第三，推动教学的数字化与自动化进程，教学模块自动计算与保存学生得分，学生可线上启动与使用这一教学模块，提高教学效率。第四，通过评分，可精确找到教学中的薄弱环节，在今后的教学中有的放矢。值得一提的是，因其可精确控制各个空间参数，这一教学模块还能应用到环境感知与评价等研究中，例如，探索建筑高度与游步道宽度比例为多少时，游人觉得最舒适等。另一方面，测试表明虚拟场景中要素的逼真程度欠加。在今后的研究中，可尝试应用三维照相机摄取真实的三维场景，并根据研究目的进行后期调整，以增强其真实性。同时，目前Oculus眼镜国内售价较高，学生很难自行购买，只能到实验室使用Oculus眼镜。随着虚拟技术的发展与普及，类似的头戴设备必将走入家庭，这一教学模块将能更方便地使用。
虚拟环境技术的发展将为规划设计带来崭新的教学、研究与实践范式，并带来巨大挑战。一方面，浸入式虚拟环境技术为设计师提供了从三维空间直接推敲方案的可能。即可以在正在设计的景观空间中，实景探讨要素的布置，随时修改方案，提高效率与准确性。另一方面，传统规划设计实践中，设计师的二维空间与三维空间相互转换的能力是最重要的核心专业能力。职业生涯中，规划设计师们掌握了凭借二维设计图纸判断三维建成空间优劣的能力，并依此开展工作。随着浸入式虚拟环境技术的发展，可以省略二维空间与三维空间转换这一步骤，设计师长期培养的能力将无用武之力，没有规划设计背景的普通人也能在三维虚拟环境进行推敲与设计，这必将对规划设计行业造成较大冲击，需要整个行业与学科深入思考，并提前布局，应对挑战。
致谢：感谢同济大学景观学系何晓帆与董芮孜同学在数据收集与整理过程的帮助。
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作者简介：
翟宇佳
1985年生/女/吉林人/同济大学建筑与城市规划学院景观学系助理教授/研究方向为城市开放空间设计特性解析与量化，建成环境设计与健康行为，空间句法理论与浸入式虚拟环境系统(上海 200092)