VR認(rèn)知實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)村落空間形態(tài)研究中的應(yīng)用

作者：苑思楠、張寒、張毣

1.天津大學(xué)建筑學(xué)院 副教授

2.天津大學(xué)建筑學(xué)院 碩士研究生

3.天津大學(xué)軟件學(xué)院 講師

本研究受天津市自然科學(xué)基金（16JCYBJC22000）支持

圖1 VR實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成[作者]

傳統(tǒng)村落是我國(guó)傳統(tǒng)文化的重要載體，尤其是那些自然生長(zhǎng)而成的村落，在長(zhǎng)期的發(fā)展過程中，人文的情懷同自然的秀麗相交織，展現(xiàn)出中國(guó)傳統(tǒng)自然審美的獨(dú)特價(jià)值。傳統(tǒng)村落的優(yōu)美是自由而復(fù)雜的，人、自然與時(shí)間共同創(chuàng)造的這種精巧與豐富，直至今日仍難以通過一種有效的方法進(jìn)行準(zhǔn)確的描述與解讀，更未曾在當(dāng)代的城市與建筑中得以再現(xiàn)。村落之美的傳達(dá)，一方面在于村落中建筑與空間物質(zhì)形態(tài)的秩序，而另一方面不可或缺的要素則是人的感知。人在村落中行走，哪些物質(zhì)形態(tài)特征會(huì)被認(rèn)知為美？哪些物質(zhì)形態(tài)特征會(huì)被記憶，以及如何形成記憶？哪些形態(tài)特征會(huì)影響人的行為，又如何影響？只有從物質(zhì)形態(tài)與認(rèn)知機(jī)制兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)村落進(jìn)行深入的解讀，才能夠真正的理解中國(guó)傳統(tǒng)村落的空間特質(zhì)，從而在本真的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)村落開展保護(hù)，更或者能夠?qū)鹘y(tǒng)村落的形態(tài)規(guī)律運(yùn)用于現(xiàn)代城市與建筑空間中，創(chuàng)造出豐富優(yōu)美且賦有中國(guó)傳統(tǒng)特性的當(dāng)代場(chǎng)所。

以往研究中，大量的學(xué)者對(duì)民居建筑以及村落空間的物質(zhì)形態(tài)特征進(jìn)行了解析，然而對(duì)于人在村落空間中的認(rèn)知研究，由于缺乏有效的技術(shù)手段，一直鮮有開展。然而近5年來VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的飛躍式發(fā)展，使得對(duì)村落中人的認(rèn)知機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究成為可能。首先，虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)了對(duì)人連續(xù)的視覺過程、聽覺、自主運(yùn)動(dòng)這些核心認(rèn)知機(jī)制的響應(yīng)，相較于其他仿真技術(shù)更接近于對(duì)真實(shí)環(huán)境中人的認(rèn)知過程的再現(xiàn)；其次利用VR技術(shù)能將建筑、村落乃至城市這樣巨大的研究對(duì)象置入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境之中，更易招集大規(guī)模參測(cè)者開展認(rèn)知測(cè)試，同時(shí)可避免建成環(huán)境中復(fù)雜的干擾因素對(duì)于認(rèn)知者的影響，還能夠相對(duì)簡(jiǎn)單的更改替換實(shí)驗(yàn)環(huán)境要素，從而對(duì)認(rèn)知結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)于參測(cè)者的運(yùn)動(dòng)與生理信息的跟蹤分析更易實(shí)現(xiàn)也更精確，也就是說VR技術(shù)的應(yīng)用使對(duì)村落認(rèn)知研究的解析實(shí)驗(yàn)成為可能。

1.VR技術(shù)在城市環(huán)者境研究中應(yīng)用

利用VR技術(shù)對(duì)建筑與城市環(huán)境開展認(rèn)知實(shí)驗(yàn)這一研究思路自上世紀(jì)90年代便被學(xué)者提出并不斷嘗試。1997，英國(guó)利茲大學(xué)認(rèn)知心理學(xué)學(xué)者Roy.A.Ruddle等人利用桌面（非浸入式）VR系統(tǒng)對(duì)一棟真實(shí)建筑物進(jìn)行重新構(gòu)建，并利用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了在虛擬空間中體驗(yàn)者對(duì)于方向以及相對(duì)距離的判斷基本同真實(shí)建筑中的一致。[1]2000年與2001年，來自澳大利亞墨爾本大學(xué)圖形信息系統(tǒng)與建模中心的Ian.D.Bishop等人通過在虛擬環(huán)境中對(duì)人群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察與記錄，研究人在城市景觀環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)選擇機(jī)制。[2][3]2005年，加拿大學(xué)者Zacharias教授通過一次VR實(shí)驗(yàn)，比較研究了在真實(shí)與虛擬城市環(huán)境中，初次體驗(yàn)者空間認(rèn)知的差異。[4]2008年后，德國(guó)蒂賓根生物控制研究所以及弗萊堡大學(xué)認(rèn)知科學(xué)研究中心逐步開始成為VR空間認(rèn)知研究的前沿陣地，并在此領(lǐng)域做出了諸多貢獻(xiàn)。2008年，上述研究機(jī)構(gòu)的Tobias Meilinger等人利用VR技術(shù)模擬城市環(huán)境，針對(duì)人的空間尋路與空間短時(shí)記憶深層機(jī)制進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，對(duì)此前研究學(xué)者所提出的空間記憶與大腦中負(fù)責(zé)詞匯記憶的神經(jīng)區(qū)域相關(guān)還是與負(fù)責(zé)視覺空間信息加工的神經(jīng)區(qū)域相關(guān)的猜想進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。[5]2010年，Julia Frankenstein與Tobias Meilinger等人利用VR技術(shù)對(duì)高度熟悉環(huán)境中的空間記憶以及空間方位判斷的依據(jù)進(jìn)行了研究。[6]2010年，英國(guó)利茲大學(xué)的Roy.A. Ruddle也加入到蒂賓根生物控制研究所，并與該研究所的Ekaterina Volkova, Betty Mohler, Heinrich H. Bülthoff共同開展了兩項(xiàng)VR實(shí)驗(yàn)，研究標(biāo)志物與身體運(yùn)動(dòng)信息對(duì)于路徑認(rèn)知的影響。[7]2013年由弗萊堡大學(xué)轉(zhuǎn)到瑞士ETH任職的Christoph H?lscher博士組建了未來城市實(shí)驗(yàn)室，利用VR技術(shù)聚焦城市與建筑環(huán)境認(rèn)知研究。此外相關(guān)研究還包括英國(guó)UCL巴特萊特學(xué)院Efrosini Charalambous, Sean Hanna, Alan Penn等人結(jié)合EEG（腦電記錄儀）設(shè)備進(jìn)行VR認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，研究人在城鎮(zhèn)空間中受空間形態(tài)與標(biāo)志物影響運(yùn)動(dòng)、停駐特征以及相應(yīng)的心理變化等。[8]

2000年以來，我國(guó)也有一批學(xué)者利用VR技術(shù)開展建筑環(huán)境中的認(rèn)知研究，如同濟(jì)大學(xué)徐磊青、湯眾等人利用VR技術(shù)對(duì)軌道交通空間標(biāo)識(shí)系統(tǒng)所進(jìn)行的研究。[9]中科院劉書青等人針對(duì)人的運(yùn)動(dòng)對(duì)于場(chǎng)景識(shí)別影響的研究等。[10]而天津大學(xué)建筑學(xué)院建筑文化遺產(chǎn)信息技術(shù)文化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室下屬VR認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室自2012年開始將VR實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于中國(guó)傳統(tǒng)村落認(rèn)知研究中。主要選取皖南、閩北這兩個(gè)自然村落樣本豐富且保存較好的地區(qū)開展研究，目前已完成了對(duì)皖南西遞（2013），許村、南屏（2015），閩北觀前、陽澤（2016），下梅、城村（2017)等一系列中國(guó)傳統(tǒng)村落的個(gè)案與比較VR實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)村落中人的認(rèn)知特性、運(yùn)動(dòng)特性與行為特性進(jìn)行了解析。該系列研究旨在利用VR技術(shù)解讀中國(guó)傳統(tǒng)村落的空間認(rèn)知特性，以科學(xué)與定量的方法發(fā)掘中國(guó)傳統(tǒng)村落在世界聚落樣本庫中的獨(dú)特空間價(jià)值，從而為傳統(tǒng)村落的保護(hù)以及當(dāng)代中國(guó)城市與建筑空間的探索提供認(rèn)知學(xué)方面的支撐。

2.閩北傳統(tǒng)村落下梅、城村的VR認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

本節(jié)以實(shí)驗(yàn)室2017年所開展的閩北傳統(tǒng)村落下梅、城村認(rèn)知實(shí)驗(yàn)為例，介紹VR技術(shù)在傳統(tǒng)村落研究中的應(yīng)用方法。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

VR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)兩大部分。硬件平臺(tái)主要包含：1.工作站，構(gòu)建與運(yùn)行虛擬場(chǎng)景，采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行后期分析；2.信息顯示系統(tǒng)，同人的感知器官建立直接關(guān)聯(lián)，盡可能擬真的將虛擬環(huán)境的影像、聲音信息傳遞給體驗(yàn)者，包括沉浸式3D投影系統(tǒng)、頭盔顯示器、音響系統(tǒng)等；3.運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，用于捕捉體驗(yàn)者的運(yùn)動(dòng)或行為數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳遞回工作站刷新虛擬場(chǎng)景，包括控制手柄，空間定位儀、運(yùn)動(dòng)采集平臺(tái)、數(shù)據(jù)手套等。本次實(shí)驗(yàn)研究，硬件平臺(tái)中引入了HTC VIVE 頭盔VR系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了三維影像顯示、音頻以及頭部運(yùn)動(dòng)6自由度捕捉系統(tǒng)，使得對(duì)于體驗(yàn)者的實(shí)時(shí)視線捕捉與記錄成為可能。（圖1）

軟件平臺(tái)則是VR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的內(nèi)核，近年來應(yīng)用較廣的VR軟件平臺(tái)包括Quest3D, Unity3D，以及虛幻引擎。本次實(shí)驗(yàn)采用了Unity3D作為軟件平臺(tái)構(gòu)建虛擬環(huán)境，該平臺(tái)具有開發(fā)界面友好，腳本語言通用性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)社區(qū)開放性高資源豐富等優(yōu)勢(shì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)搭建與數(shù)據(jù)分析流程

村落現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研完成實(shí)地測(cè)繪與影像采集工作，并結(jié)合低空攝影測(cè)量點(diǎn)云模型控制虛擬場(chǎng)景建筑與地景模型構(gòu)建。(圖2)該模型進(jìn)入U(xiǎn)nity平臺(tái)生成虛擬村落環(huán)境。（圖3）本次實(shí)驗(yàn)開發(fā)了專門的Unity程序模塊，利用HTC VIVE的空間定位能力在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的后臺(tái)將測(cè)試者的實(shí)時(shí)站點(diǎn)坐標(biāo)、視點(diǎn)坐標(biāo)以及時(shí)間線數(shù)據(jù)進(jìn)行同步存儲(chǔ)。（圖4）實(shí)驗(yàn)后上述數(shù)據(jù)進(jìn)入ArcGIS與Rhino Grasshopper軟件，分別完成二維空間點(diǎn)（站點(diǎn)）與三維空間點(diǎn)（視點(diǎn)）密度分析與可視化。與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)要求每個(gè)參測(cè)者在虛擬村落體驗(yàn)完成后填寫調(diào)查問卷，并以SD法對(duì)兩個(gè)村落的主觀認(rèn)知評(píng)價(jià)進(jìn)行分析。（圖5）本次實(shí)驗(yàn)招募參測(cè)者共計(jì)69名，年齡跨度在13-50歲之間，體驗(yàn)過程中不設(shè)目標(biāo)與引導(dǎo)，參測(cè)者憑借自主意愿在村落中漫游。時(shí)間最終獲得有效數(shù)據(jù)集63個(gè)，有效問卷69份。（圖6）

2.3 研究成果

利用SD方法對(duì)經(jīng)過平均化處理的VR實(shí)驗(yàn)調(diào)查問卷結(jié)果分析顯示出參測(cè)者對(duì)于兩村落的主觀認(rèn)知評(píng)價(jià)，如圖7所示，參測(cè)者認(rèn)為下梅村比城村的街道更易辨識(shí)空間方位，且具有更高的空間豐富度與舒適性，街道空間顯得更為幽深，但空間標(biāo)識(shí)性更強(qiáng)，并留下了更深的空間印象；而相較而言參測(cè)者認(rèn)為城村的街道空間在開敞性方面要高于下梅村街道。兩村落的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)均分布在中值區(qū)間，表明兩村落均未產(chǎn)生極端性的空間體驗(yàn)。

兩村落的人群運(yùn)動(dòng)軌跡的可視化分析可以顯示出村落的空間運(yùn)動(dòng)核心，從圖8、圖9中可以看到，下梅村顯現(xiàn)出單主干、多支干的魚骨型空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，而城村村的空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出更強(qiáng)的網(wǎng)格框架，同時(shí)兩村落這種空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)均與村落在實(shí)際使用中的村落核心道路相吻合，且村落的重要公共性建筑也分布于這些空間行為中心。村落的空間結(jié)構(gòu)影響下的人群行為分布同村落的功能中心之間的這種吻合性表明在傳統(tǒng)村落之中空間對(duì)于人群行為的影響是決定村落空間等級(jí)與功能結(jié)構(gòu)分布的重要源動(dòng)力。

借助于VR平臺(tái)數(shù)據(jù)采集與可視化分析技術(shù)，圖10、圖11展現(xiàn)出漫游者視點(diǎn)在傳統(tǒng)村落空間中分布的三維圖示以及分布密度的可視化?？梢钥吹剑旅反逡朁c(diǎn)高密度聚集區(qū)集中分布于主干街道一線，該街道沿溪水而建，蜿蜒曲折，而這些高密度視點(diǎn)聚集區(qū)恰落于道路曲折的突出面之上，其分布密度高于村落中的標(biāo)志性建筑。而在城村的參測(cè)者視點(diǎn)分布圖示中，由于城村的街道空間相較于下梅更為平直，因而視點(diǎn)高密度區(qū)域并未分布于道路轉(zhuǎn)折區(qū)域，但是城村公共空間中的一個(gè)獨(dú)特特性在于街道中的過街亭，而實(shí)驗(yàn)中這些過街樓也吸引了大量視線，成為整個(gè)村落中視點(diǎn)分布密度最高的區(qū)域。這種過街樓為古代村民集體出資修建，位于重要道路節(jié)點(diǎn)或祠廟建筑入口，為當(dāng)?shù)卮迕裉峁┝斯簿奂膱?chǎng)所并一直沿用至今。兩村落相比較，街道平直的城村視點(diǎn)分布的聚集度仍低于下梅，這也同問卷調(diào)研中空間舒適性與豐富度評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合。人視點(diǎn)這種空間分布特性可以解讀為人的生理構(gòu)造對(duì)于視感知機(jī)制的影響，前向的視覺使得人的視線在概率上更多會(huì)落于前向的承載面，在不設(shè)定目標(biāo)性漫游的情況下，前向視點(diǎn)分布的概率甚至?xí)哂诩?xì)節(jié)豐富特征獨(dú)特的標(biāo)志性建筑物對(duì)于人視覺的吸引。也因此人對(duì)于傳統(tǒng)村落中曲折蜿蜒的空間情有獨(dú)鐘。有節(jié)奏的道路轉(zhuǎn)折使得人在運(yùn)動(dòng)過程中視線不斷落于變化的承載面之上，相反在現(xiàn)代城市中，筆直貫通的街道，超出視覺感知范圍的街道尺度都使得在空間運(yùn)動(dòng)過程中舒適性與感知性相較于傳統(tǒng)村落更低。

3.總結(jié)與展望

通過上述研究可以看到，VR技術(shù)為我們提供了一種可以近距離直接觀測(cè)人在空間中認(rèn)知過程的工具，同時(shí)在空間環(huán)境中，人的所有行為反饋都可以被準(zhǔn)確的以數(shù)據(jù)方式記錄，并開展后續(xù)一系列的分析。這種科學(xué)化研究方法，使得人的認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)、行為這些抽象的概念，能夠以具象、定量的方式呈現(xiàn)在人們眼前，其所帶來的研究潛力是以往任何一種實(shí)證或理論性的方法都難以比擬的。認(rèn)知是空間討論的基礎(chǔ)，無論在建筑設(shè)計(jì)、城市設(shè)計(jì)還是村落設(shè)計(jì)，空間的話題最終都將歸結(jié)于人的認(rèn)知。而VR技術(shù)的應(yīng)用使得人們對(duì)于認(rèn)知機(jī)制的理解從經(jīng)驗(yàn)又向科學(xué)前進(jìn)了一步。

當(dāng)然現(xiàn)今的VR技術(shù)還未臻于完美，在大尺度虛擬環(huán)境（建筑、城市、村落）中，讓測(cè)試者的身體真的運(yùn)動(dòng)起來并進(jìn)行捕捉的技術(shù)還未能實(shí)用化，因此體驗(yàn)過程中的暈動(dòng)癥問題也仍難以避免，同時(shí)肢體運(yùn)動(dòng)的缺位也導(dǎo)致虛擬體驗(yàn)同真實(shí)體驗(yàn)的結(jié)果存在偏差。但是VR技術(shù)的發(fā)展空間也是無限的，如在研究方法層面，已有學(xué)者嘗試將EEG腦電與生理信號(hào)檢測(cè)與解析同VR實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，從而從腦生理科學(xué)層面對(duì)認(rèn)知機(jī)制進(jìn)行深層次解讀?？梢钥吹?，VR實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于認(rèn)知科學(xué)的影響可以說是革命性的，這也必將極大的影響建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃與鄉(xiāng)村設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)建筑學(xué)領(lǐng)域中的方方面面。

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