基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市街道網(wǎng)絡(luò)空間認知實驗

苑思楠，張玉坤

(天津大學建筑學院，天津300072)

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是一種綜合計算機圖形、多媒體、傳感器等多種技術(shù)發(fā)展起來的新興技術(shù)，它為使用者提供視覺、聽覺及觸覺等感官的模擬，進而實現(xiàn)對虛擬世界中物體的考察和操作。自1962年第一個虛擬現(xiàn)實裝置問世以來，該技術(shù)就向人們展示出誘人的發(fā)展前景，并在諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計領(lǐng)域，20世紀80年代美國率先開發(fā)出虛擬洛杉磯、虛擬拉斯維加斯等項目用于城市互動演示以及改造評估［1］。此后一批虛擬城市項目紛紛出現(xiàn)，如英國開發(fā)的虛擬倫敦項目，日本開發(fā)的虛擬東京項目，芬蘭的虛擬赫爾辛基項目等［2］。近些年來，國內(nèi)一些高校及研究機構(gòu)也開始致力于虛擬城市、建筑環(huán)境的研究。如浙江大學開發(fā)的虛擬故宮、武漢大學開發(fā)的數(shù)碼城市系統(tǒng)，此外同濟大學世博研究中心還將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于世博會場地規(guī)劃設(shè)計優(yōu)化之中。

然而縱觀目前國內(nèi)外城市及建筑領(lǐng)域，無論是作為演示系統(tǒng)還是輔助設(shè)計系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要被作為一種高性能體驗媒介使用，而較少應(yīng)用于研究環(huán)節(jié)。正如一些學者指出:“目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所取得的成就，剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)與計算機進行結(jié)合作用問題，還根本未涉及人類對世界的認知機理的研究?！保?］具體而言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于與人感官系統(tǒng)的緊密關(guān)聯(lián)而在環(huán)境認知研究方面存在巨大的應(yīng)用潛力，而這一潛力目前仍未被發(fā)掘。如何充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)特性，深入理解環(huán)境與人之間的相互影響，將成為該技術(shù)在城市、建筑領(lǐng)域新的發(fā)展趨勢。

筆者嘗試將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于城市街道網(wǎng)絡(luò)空間認知研究中，借此了解空間體驗者如何對網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)差異進行主觀辨識并形成空間記憶。研究首先利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以真實城市網(wǎng)絡(luò)為原型構(gòu)建起一系列具有特定形態(tài)特征的虛擬城市實驗環(huán)境，隨后將實驗參測者主觀認知結(jié)果同客觀空間形態(tài)量化描述進行比較分析。研究揭示了街道網(wǎng)絡(luò)形態(tài)對人的城市認知的影響作用，并深入解析了這種影響過程的機制與特點，最終為城市空間形態(tài)設(shè)計提供了有益的參考。

一、虛擬現(xiàn)實實驗平臺簡介

一套完整虛擬現(xiàn)實實驗平臺由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)兩部分共同構(gòu)成:軟件系統(tǒng)用于實現(xiàn)虛擬城市場景營造、環(huán)境模擬，并控制人與虛擬環(huán)境的實時交互行為;而硬件系統(tǒng)一方面向使用者輸出場景信息，營造出身臨其境的虛擬環(huán)境，同時也提供了人機交互控制的窗口，見表1和圖1。

在軟件方面，研究選用了由美國 Multigen-Paradigm公司開發(fā)的Creator+Vega軟件工作流程。目前該套軟件已成為相對成熟的業(yè)界標準，與其他CAD以及GIS軟件平臺均有成熟的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及銜接方案［4-5］。而在硬件方面，利用IBM專業(yè)圖形工作站連接Barco3D工程投影儀進行視頻回放和交互控制，使用者佩戴3D液晶快門眼鏡并操作搖桿操控設(shè)備實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景實時交互體驗。全3D顯示設(shè)備的使用，讓使用者在虛擬場景體驗中獲得更為真實的左右眼立體視覺，使其能夠沉浸于虛擬環(huán)境之中。

利用這一虛擬現(xiàn)實實驗平臺，可以營造任意特性的虛擬城市環(huán)境供參測者進行空間體驗，從而展開對城市空間主觀認知的研究。

表1 虛擬現(xiàn)實平臺構(gòu)成

圖1 虛擬現(xiàn)實平臺硬件系統(tǒng)工作流程

二、城市空間感知實驗

為理解街道網(wǎng)絡(luò)空間如何在人頭腦中形成主觀認知和記憶，實驗擬招募參測者體驗一組街道網(wǎng)絡(luò)，檢驗人們能否明確辨識不同網(wǎng)絡(luò)的空間特性，并研究這種主觀認知形成的過程。

1.實驗樣本選擇及虛擬場景構(gòu)建

實驗首先選取三個真實城市街道網(wǎng)絡(luò)作為構(gòu)建虛擬場景的樣本，它們分別為來自意大利威尼斯的兩個街道網(wǎng)絡(luò)(圣馬可廣場區(qū)域(網(wǎng)絡(luò)a)和里奧托區(qū)(網(wǎng)絡(luò)b))以及來自中國貴州青巖的街道網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)C)，見圖2。其中圣馬克廣場區(qū)與里奧托區(qū)分別為威尼斯的政治核心區(qū)與商業(yè)核心區(qū)，代表了歐洲中世紀傳統(tǒng)城市街道機理;而青巖則代表了中國的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)聚落街道機理。3個城市樣本具有相近的總體尺度規(guī)模和街道平均寬度，同時具有共同的特性——經(jīng)由自然增長過程形成的不規(guī)則的城市網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。通過這樣一組實驗場景設(shè)置，可以檢驗人們能否通過網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)特征對不同城市進行辨識，并研究人在運動過程中，是如何形成網(wǎng)絡(luò)空間記憶并作出判斷的。

城市樣本需經(jīng)過空間抽象轉(zhuǎn)化為實驗場景。這一過程將消除真實城市中建筑樣式、街道斷面尺度、城市標識等直觀因素干擾，從而單純研究“網(wǎng)絡(luò)形態(tài)”對人的空間認知的影響。因此，實驗在3個樣本網(wǎng)絡(luò)平面之上重新塑造新的城市街道空間系統(tǒng)。首先，以相同建筑高度構(gòu)建街道界面，使3個網(wǎng)絡(luò)具有相近的街道斷面平均高寬尺度。隨后，街道界面被賦予相同的建筑樣式，使不同地域城市的建筑風格差異可被忽略。至此，實驗創(chuàng)造出一組理想化虛擬實驗場地，原網(wǎng)絡(luò)中所有與研究無關(guān)的因素均被去除，而僅保留了網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征(見圖3)。參測者最終將對這些虛擬實驗場地進行體驗，并將空間感受反饋。

圖2 3個虛擬城市街道網(wǎng)絡(luò)平面

圖3 虛擬試驗中，參測者通過漫游感受網(wǎng)絡(luò)空間差異對3個網(wǎng)絡(luò)進行識別判斷

2.街道網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)特征定量描述

首先利用一些常用定量分析技術(shù)對a、b、c 3個網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)特性進行描述，從而同隨后進行的主觀實驗結(jié)果進行比較分析。分析涵蓋了網(wǎng)絡(luò)的拓撲與幾何兩方面形態(tài)特性，其中拓撲特性描述了網(wǎng)絡(luò)路徑的空間構(gòu)成結(jié)構(gòu)和相互鄰接關(guān)系，而幾何特性則描述了網(wǎng)絡(luò)的尺度和形狀，這兩方面特性共同決定了網(wǎng)絡(luò)的整體空間形態(tài)。

(1)網(wǎng)絡(luò)拓撲形態(tài)特性。研究利用“空間句法”對3個網(wǎng)絡(luò)的拓撲形態(tài)特性進行定量分析，該理論研究方法由英國學者比爾·希利爾于20世紀80年代創(chuàng)立，目前已成為網(wǎng)絡(luò)拓撲分析所采用的主要研究方法。通過空間句法分析，可獲得的3個網(wǎng)絡(luò)的平均整合度和可理解度指標。整合度值高低代表了網(wǎng)絡(luò)拓撲連接性能的強弱，連接性強則意味該區(qū)域易于到達，反之則不易到達。網(wǎng)絡(luò)的可理解度則是對同一網(wǎng)絡(luò)局部與整體關(guān)系的衡量，它將會影響人對網(wǎng)絡(luò)的辨識能力?？衫斫舛鹊?，則網(wǎng)絡(luò)道路如迷宮般不易辨識，反之網(wǎng)絡(luò)道路易于辨識，見圖4［6］。從圖4a可見，網(wǎng)絡(luò)A、B整合度特征更為接近，分別為1.7和1.71，而以青巖為原型的網(wǎng)絡(luò)C整合度為1.42，明顯低于前二者。而圖4b所示可以看到，3網(wǎng)絡(luò)特征值均存在明顯差異，其中網(wǎng)絡(luò)C的可理解度值最高(0.71)，而網(wǎng)絡(luò)B可理解度值最低(0.21)，網(wǎng)絡(luò)A介于兩者之間(0.5)。這表明網(wǎng)絡(luò)C更易辨識，而網(wǎng)絡(luò)B的空間最不易辨識。

(2)網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征。網(wǎng)絡(luò)密度測算是常用的網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征定量分析方法，最早產(chǎn)生于交通工程分析，用于對網(wǎng)絡(luò)尺度進行計量。網(wǎng)絡(luò)密度指標可通過區(qū)域內(nèi)路徑總長度(Lx)與區(qū)域面積(A)比值計算，該參量記為Nl［7］。圖4c所示為計算所獲得的3網(wǎng)絡(luò)密度指標，可以看到，網(wǎng)絡(luò)C密度值最低，僅為0.017 m/m2，而網(wǎng)絡(luò) A、B密度值比較接近，分別為0.039 m/m2與0.044 m/m2，二者明顯高于網(wǎng)絡(luò)C。

圖4 網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)特征定量描述

通過空間句法以及網(wǎng)絡(luò)密度分析，可以看到在整合度特性及網(wǎng)絡(luò)密度特性方面，以威尼斯街道為原型的網(wǎng)絡(luò)A、B具有相近的形態(tài)特征，而與以青巖街道為原型網(wǎng)絡(luò)C差異明顯。但在可理解度方面，3網(wǎng)絡(luò)彼此差異明顯。在接下來的虛擬現(xiàn)實實驗中，我們將進一步檢視這些網(wǎng)絡(luò)形態(tài)差異是如何在空間使用者的主觀認知中得以反映的。

3.虛擬現(xiàn)實空間感知實驗

實驗以盲測方式進行，即測試前不向參測者公開3個網(wǎng)絡(luò)的背景信息。實驗首先要求參測者佩戴3D眼鏡，通過操作控制設(shè)備自主行走，依次漫游3個虛擬城市網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)空間感知(見圖5a)。各網(wǎng)絡(luò)漫游時長均控制在10分鐘，確保參測者既可充分體驗每個網(wǎng)絡(luò)，同時在實驗結(jié)束后仍可保留對各網(wǎng)絡(luò)的有效記憶。隨后實驗通過填寫調(diào)查問卷(見圖5b)。問卷設(shè)置簡明直接，避免對測試者產(chǎn)生暗示與誤導，問卷內(nèi)容如下。

(1)不能分辨3個街道網(wǎng)絡(luò)空間差異性;

(2)3個網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)____與另外兩個網(wǎng)絡(luò)明顯不同，該網(wǎng)絡(luò)更___;

(3)3個網(wǎng)絡(luò)空間感受各不相同，其中網(wǎng)絡(luò)A更___;網(wǎng)絡(luò)B 更___;網(wǎng)絡(luò)C更___;

參測者將在3項中勾選最符合自己空間認知的1項，并簡要描述主觀感受。實驗最終共招募參測者74名，獲得有效反饋問卷72份。

圖5 虛擬現(xiàn)實實驗

4.實驗結(jié)果分析

表2所示為對參測者提供的問卷選項統(tǒng)計分析結(jié)果?？梢钥吹?，47%的參測者(最大部分參測人群)認為街道網(wǎng)絡(luò)C與網(wǎng)絡(luò)A、B不同，即以威尼斯街道為原型的兩個網(wǎng)絡(luò)彼此相近，而以青巖街道為原型的網(wǎng)絡(luò)與二者具有明顯差異，這一部分參測人群的認知感受與此前量化研究中網(wǎng)絡(luò)整合度及密度特性兩項指標的分析結(jié)果相一致。

同時從表2中也可以看到，另有相當一部分參測者(35%)認為3個網(wǎng)絡(luò)之間各不相同。他們在體驗過程中進一步感知到網(wǎng)絡(luò)A、B在空間上的差異性，而這種差異性也在此前網(wǎng)絡(luò)可理解度指標分析中有所體現(xiàn)。盡管這兩個同來自于威尼斯的街道網(wǎng)絡(luò)在整合度以及網(wǎng)絡(luò)密度兩方面特性更為相似，然而它們之間仍存在一定形態(tài)差異，并會在一定程度上左右人對網(wǎng)絡(luò)空間的閱讀與判斷。

上述兩組人群選項的聚集表明了參測者在網(wǎng)絡(luò)體驗過程中能夠形成某些空間認知共識，而這些共識與此前對網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的量化分析結(jié)果具有相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。這一實驗結(jié)果證明了人在城市認知過程中不僅會通過建筑的樣式、街道的高寬尺度等直觀因素形成城市意向，同時也會在運動過程中從更大尺度范圍感知街道網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)的差異，并形成對城市的整體性記憶。

表2 實驗調(diào)查問卷選項統(tǒng)計

在對參測者選項進行統(tǒng)計分析后，研究進一步解析這種認知產(chǎn)生的過程。表3歸納了參測者對網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)特性的描述，這些描述反映出人進行網(wǎng)絡(luò)空間特征辨別時所使用的主觀依據(jù)。問卷中一些參測者對于同一實驗網(wǎng)絡(luò)給出了近似含義的描述，這些描述被歸納為同類項并進行頻率計數(shù)。研究最終將所有描述詞匯根據(jù)出現(xiàn)頻率排序，并劃分為幾何性描述、拓撲性描述與綜合性描述3大類別。通過分析參測者的主觀描述總結(jié)出人在網(wǎng)絡(luò)中空間認知行為具有如下特點。

(1)人們更多會根據(jù)幾何形態(tài)特征對網(wǎng)絡(luò)進行識別和記憶?？梢钥吹皆诿枋鼋y(tǒng)計中，無論對任何一個網(wǎng)絡(luò)，采用幾何性描述的頻率均遠高于拓撲性描述的頻率。同時參測者在對網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)進行描述時，多使用“路徑短促”、“分支多”等具像的詞匯;而在對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行描述時，則多采用諸如“清晰”、“易迷失”等概括、抽象的詞匯。這表明在空間體驗過程中，網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)特征(如尺度、形狀、方位)易被人直觀感知，并在頭腦中形成具體的城市意像。而網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)的認知則是在空間經(jīng)歷過程中以抽象方式對人的空間記憶施加影響，最終形成整體性抽象化的城市感受。

(2)觀察者對網(wǎng)絡(luò)空間幾何形態(tài)的變化具有很高的敏感度。表3中，網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征描述大體可分為3類:一類是與此前網(wǎng)絡(luò)密度計量相關(guān)的描述，如“路口少節(jié)點遠”、“路徑短促”等;第2類涉及網(wǎng)絡(luò)路徑的形態(tài)，如“路徑平直”、“曲折”、”轉(zhuǎn)折明確“等;第3類則描述了網(wǎng)絡(luò)的微觀形態(tài)變化，如”尺度一致“、”寬窄相間“、”寬窄變化大“等。這些主觀描述顯示出，空間體驗者能夠感知并記憶細微的網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)變化，而這些變化在傳統(tǒng)以平面圖分析為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)研究中往往被忽視。當前在城市街道網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)研究領(lǐng)域，除密度指標外，網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)的其它復雜變化仍缺乏有效的量化描述手段。上述實驗發(fā)現(xiàn)一方面顯示出城市空間幾何形態(tài)描述方法的不足，同時也為今后該領(lǐng)域研究提供了方向。

(3)參測者的拓撲性描述主要涉及網(wǎng)絡(luò)的易辨識程度，其空間判斷與可理解度指標緊密相關(guān)。這也進一步解釋了在問卷選擇時，為何相當一部分參測者認為3個網(wǎng)絡(luò)各不相同。從參測者所使用的描述詞匯可以看到，對于具有最高可理解度的網(wǎng)絡(luò)C，大部分參測者認為其“方向感更好”，同時網(wǎng)絡(luò)“清晰”;對于最低可理解度的網(wǎng)絡(luò)B，人們則普遍認為其“易迷失”，并”多死胡同“;而對于可理解度指標介于兩者之間的網(wǎng)絡(luò)A，認為其“易迷失”與認為其“導向性強”的參測者人數(shù)彼此相近，形成兩種相互對立的看法。此外，網(wǎng)絡(luò)可理解度指標的高低同時也影響了人們對網(wǎng)絡(luò)空間的綜合感受。對于”高可理解度“的網(wǎng)絡(luò)C，人們更多使用諸如”有趣味“、”空間豐富“等積極詞匯描述其總體空間感受;而對于”可理解度較低“的網(wǎng)絡(luò)A、B，人們則更傾向使用”壓抑“、”無趣味“這樣的消極詞匯概括體驗過程。

表3 調(diào)查問卷中網(wǎng)絡(luò)主觀描述歸納統(tǒng)計情況

虛擬現(xiàn)實空間認知實驗表明，街道網(wǎng)絡(luò)形態(tài)能夠直接影響人的城市認知。同時研究通過對參測者主觀描述的分析，初步解析了這種空間認知產(chǎn)生的主觀過程。該實驗使我們對于人的空間認知機制具有了更深的理解，這一方面將促進城市空間形態(tài)分析技術(shù)的深化和拓展，同時也可作為參考依據(jù)用于城市街道空間設(shè)計之中，使城市空間更加舒適和人性化。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市以及建筑研究領(lǐng)域的應(yīng)用意義與前景

無論是城市研究，還是城市設(shè)計，盡管其分析和操作的對象都是客觀存在的物質(zhì)實體，但最終的服務(wù)對象都是“人”這一主觀群體。因此如何在城市客觀環(huán)境研究中引入人的因素，一直是學者們所關(guān)注的焦點。本文通過一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市空間實驗，展示了如何在城市研究中應(yīng)用該技術(shù)在城市空間研究與人的主觀認知之間建立起關(guān)聯(lián)。研究中可以看到，相對于傳統(tǒng)城市認知研究方法，虛擬現(xiàn)實技術(shù)顯示出以下優(yōu)勢。

虛擬現(xiàn)實這一新技術(shù)使城市以及建筑這種龐大而復雜的對象第一次可以被置于“實驗室”的環(huán)境中進行主觀認知研究。在虛擬實驗室中，自然科學研究中的各種實驗分析方法都可以應(yīng)用于城市分析之中。借助這些實驗方法，研究者可以通過簡化復雜的城市現(xiàn)象，將自然城市環(huán)境中各種復雜要素解析并加以單獨分析，而這些通過傳統(tǒng)城市空間研究方法是難以實現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)自主連續(xù)的空間體驗，從而可以真實還原并研究街道網(wǎng)絡(luò)的認知過程。人對街道網(wǎng)絡(luò)的認知是人在行走過程中由一個個片段感知構(gòu)成的記憶集合，同時行為決策也在空間認知過程中扮演了重要的角色。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)完好的還原了這一認知過程，這使其無論與傳統(tǒng)平面圖分析方法，或者任何一種靜態(tài)的被動的場景研究方法相比都更接近認知的本質(zhì)。

本文所進行的城市認知實驗僅是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市研究中應(yīng)用的一個初步嘗試。在未來研究中，通過更多樣的實驗設(shè)置，以及擴大實驗群體規(guī)模，將能夠更為全面清晰的理解城市中各個要素對于空間主觀認知的影響。此外，利用虛擬現(xiàn)實軟件所提供的數(shù)據(jù)接口編程，還能夠?qū)μ摂M空間體驗者的行為軌跡進行跟蹤，從而實現(xiàn)針對大規(guī)模人群的虛擬GPS空間行為研究。可以看到，虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借其低成本、可操作性強以及與人感官知覺緊密關(guān)聯(lián)等諸多特性，在環(huán)境認知研究方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，而這種方法不僅適用于城市領(lǐng)域研究，同時也適用于建筑領(lǐng)域研究。充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將能使我們更進一步理解城市和建筑環(huán)境，從而為設(shè)計提供依據(jù)和理論支持。

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