地鐵車站導向標志設(shè)計交互系統(tǒng)研究

李 磊，李豪冉

(鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州 450000)

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是當代信息技術(shù)高度發(fā)展、多種技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物。它借助虛擬技術(shù)、影像技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，搭建一個高度逼真的虛擬環(huán)境，為使用者營造一種身臨其境的感受，使其可以對虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的三維環(huán)境模型進行感知和交互[1]。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍也愈加廣泛，正在逐步滲入各個專業(yè)領(lǐng)域中。但是，在地鐵車站導向標志系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計過程中，設(shè)計人員目前仍在使用AutoCAD軟件或基于該平臺二次開發(fā)的輔助設(shè)計軟件，僅能滿足二維繪圖需求。基于二維平面的設(shè)計方案在進行最終評審時，設(shè)計效果與現(xiàn)場實際需求容易存在差異。地鐵車站導向標志設(shè)計虛擬交互系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)⒏叻抡娴能囌緢鼍芭c設(shè)計對象有效融合，以更加直觀、逼真的方式，多角度立體展示車站的整體環(huán)境和各種附屬設(shè)施，用其獨有的影像化展示功能、生動的交互性能和對現(xiàn)實的模擬功能，使設(shè)計人員及評審人員能夠全方位決策標繪、分析研判，實現(xiàn)設(shè)計方案動態(tài)調(diào)整，為地鐵車站導向標志系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種全新的實踐模式，是適合我國軌道交通發(fā)展行情的系統(tǒng)方案。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)依托計算機技術(shù)，構(gòu)建高度還原多感官一體化的虛擬環(huán)境(Virtual Environment，簡稱VE)，用戶借助必要的硬件設(shè)備與虛擬環(huán)境中的三維模型進行交互[2]。其本質(zhì)是將不可視的想象力變成由三維模型搭建的場景，核心是逼真性和可視性。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)有3個重要特征，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和構(gòu)想性(Imagination)。沉浸性是指使用者完全置身于計算機搭建的虛擬環(huán)境中，并成為其中的一部分，由被動旁觀者變成主動參與者；理想的虛擬環(huán)境可以使使用者真假難辨，甚至忽略其正處于一個由計算機生成的虛擬環(huán)境中。交互性是指使用者與虛擬環(huán)境中的各種三維模型相互影響、相互作用的能力；構(gòu)想性是指用戶在虛擬環(huán)境的多維信息空間中，可以依靠自身的感知和認知能力主動、全方位獲取信息，尋求現(xiàn)實問題的可靠解決途徑[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于地鐵車站二維CAD設(shè)計圖紙，利用數(shù)碼攝像設(shè)備采集車站范圍內(nèi)主要設(shè)備圖像，將二者結(jié)合，在3D Max中對地鐵車站內(nèi)各種靜態(tài)、動態(tài)對象進行三維建模；結(jié)合現(xiàn)實場景，對已經(jīng)建好的三維模型進行優(yōu)化處理，包括拓撲優(yōu)化、貼圖制作、材質(zhì)處理、燈光效果、全局光烘焙，使之更符合人的真實感受，創(chuàng)建沉浸式體驗場景。以動態(tài)三維圖像(或圖形)表達地鐵車站范圍內(nèi)的乘客、主要設(shè)備設(shè)施、導向標志等的形態(tài)，使設(shè)計人員和評審人員可以從不同角度對導向標志的布局、版面信息等進行觀察和操作，實現(xiàn)方案設(shè)計與評估的實時動態(tài)調(diào)整。

2.1 三維建模

(1)環(huán)境模型。地鐵車站環(huán)境模型包括地面(戶外)、站內(nèi)地下一層(站廳層)和站內(nèi)地下二層(站臺層)。其中：地面(戶外)包括地面、道路、綠化和地鐵口等元素；站內(nèi)地下一層(站廳層)包括建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)(地面、墻面、吊頂)、連接站廳層與地面的樓梯和自動扶梯、人工服務(wù)廳、承重柱、護欄、廣告牌等元素；站內(nèi)地下二層(站臺層)包括建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)(地面、墻面、吊頂)、連接站臺層與站廳層的樓梯和自動扶梯、承重柱、站臺、列車、廣告牌等元素。

(2)設(shè)施設(shè)備模型。地鐵車站關(guān)鍵設(shè)備模型包括自動售票機(TVM)、安檢設(shè)備、閘機(AGM)等。

(3)導向標志模型。地鐵站主要導向標志包括出入口地徽、購票標志、安檢標志、進站標志、乘車標志、出站標志等。

(4)乘客模型。地鐵車站內(nèi)隨機分布動態(tài)行走的乘客，密度一般；在購票、人身安檢、過閘、站臺候車等處設(shè)置排隊的乘客。為確保場景流暢，遠距離乘客用貼片，距離靠近后轉(zhuǎn)為動態(tài)三維模型。

2.2 場景制作

(1)拓撲優(yōu)化。建模過程中優(yōu)化模型網(wǎng)格，提升模型渲染效率；減少復雜模型的三角面數(shù)量，提高場景幀率。

(2)貼圖制作。制作環(huán)境模型、設(shè)施設(shè)備模型、導向標志模型和乘客模型貼圖，貼在三維模型的表面，使模型視覺效果更加逼真，場景更加貼近現(xiàn)實世界。

(3)材質(zhì)處理。地鐵車站內(nèi)三維模型所需的材質(zhì)貼圖主要包括金屬、石料、玻璃等。

2.3 燈光效果

結(jié)合現(xiàn)實場景，地面(戶外)場景增加自然光，站廳層和站臺層增加燈光，電子廣告牌及導向標志設(shè)置內(nèi)部光源。燈光效果要接近現(xiàn)實，充分考慮不同光源的光照強度及不同材質(zhì)的反光效果，增加場景的沉浸性。

2.4 全局光烘焙

以光照信息渲染成貼圖的方式，對不同場景進行全局光烘焙后更加接近原始燈光效果，同時也可以大大提升場景渲染效率。

3 系統(tǒng)建設(shè)的必要性

地鐵車站導向標志系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計是一個綜合性問題，結(jié)合地鐵車站實際情況進行車站導向標志系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，尤其導向標志布局方面是目前需要深入研究的重要課題。

3.1 地鐵車站導向標志系統(tǒng)的作用

地鐵車站導向標志系統(tǒng)是對車站建筑空間功能的一種立體、直觀的詮釋，對車站基礎(chǔ)功能的實現(xiàn)具有十分重要的意義。其主要功能是合理組織車站內(nèi)部的客流流向，向乘客提供導乘和服務(wù)信息，最大限度減少乘客無效停留時間。設(shè)計科學、布局合理的導向標志系統(tǒng)不僅有助于車站客流組織的順暢性，提高服務(wù)水平和質(zhì)量，而且可以極大改善乘車環(huán)境和感受，同時也是城市文化的重要展示窗口。

3.2 地鐵車站導向標志系統(tǒng)設(shè)計的問題

雖然我國新建地鐵車站的導向標志系統(tǒng)已經(jīng)日趨完善，乘客對導向標志系統(tǒng)的認知度和滿意度也在不斷提高，但目前地鐵車站的導向標志系統(tǒng)仍存在諸多問題。如：導乘、指引作用發(fā)揮不足；導向標志系統(tǒng)與車站整體環(huán)境缺乏統(tǒng)一性；布局缺乏連貫性，信息中斷；安裝位置不合理，易讀性不強；信息不足或冗余等。

4 系統(tǒng)建設(shè)的意義

目前地鐵車站導向標志系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計仍主要依賴于抽象的二維圖紙系統(tǒng)(建筑平面圖、立面圖等)，僅能提供靜態(tài)的視覺體驗，表現(xiàn)力差，設(shè)計人員及評審人員均無法以乘客的視角來感受建筑空間。地鐵車站導向標志設(shè)計虛擬交互系統(tǒng)可以使設(shè)計人員及評判人員在仿真的三維環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式對車站整體環(huán)境及導向標志的設(shè)計布局進行身臨其境的全方位審視，可以選擇并自主切換進站、出站及自由漫游等多種場景模式，而且在漫游過程中還可以實現(xiàn)如移動導向標志的位置、備選導向標志替換等互動操作。

在地鐵車站導向標志系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計過程中，通常需要各方人員或者多個領(lǐng)域的專家對同一個設(shè)計方案進行反復探討、驗證和修改，地鐵車站導向標志設(shè)計虛擬交互系統(tǒng)可以打破空間和時間的限制，方便組織各專業(yè)人員對設(shè)計方案進行分析研判，大大降低規(guī)劃設(shè)計的時間成本，提高評判決策效率，從而保證導向標志系統(tǒng)的準確性。

地鐵車站導向標志設(shè)計虛擬交互系統(tǒng)可以實現(xiàn)車站整體環(huán)境的三維可視化，使設(shè)計人員可以直觀觀察車站客流走向，并對設(shè)計方案不斷進行優(yōu)化、調(diào)整、比較，從而實現(xiàn)導向標志規(guī)劃設(shè)計數(shù)字化、智能化、可視化，最終使地鐵車站的導向標志設(shè)計達到更加合理、高效、精益的目標，為導向標志的布局提供更加可靠的依據(jù)。

地鐵車站導向標志設(shè)計虛擬交互系統(tǒng)是信息化發(fā)展的產(chǎn)物，是智慧地鐵大框架下不可或缺的有機組成部分。

5 總結(jié)

地鐵車站導向標志系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的合理性和科學性，直接影響客流組織效率的提高及運營服務(wù)工作的水平和質(zhì)量，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為地鐵車站導向標志系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計提供了耳目一新的實踐模式，是適合我國軌道交通事業(yè)發(fā)展的系統(tǒng)方案。