基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑照明交互設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)

康鈺卓，韓 臻，劉 岳，劉 剛

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2.天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072；3. 天津大學(xué)國(guó)際工程師學(xué)院，天津 300072)

引言

現(xiàn)有的VR技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用以展示為主，為設(shè)計(jì)師提供沉浸式的建筑空間還原，但其在納入設(shè)計(jì)活動(dòng)、輔助交互設(shè)計(jì)的使用潛能尚未得到有效開發(fā)[1,2]。此外，目前，建筑性能仿真與評(píng)價(jià)過程多處于項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)后期或施工圖設(shè)計(jì)階段，容易造成設(shè)計(jì)過程的循環(huán)往復(fù)，且模擬結(jié)果大多缺乏可視化呈現(xiàn)手段，無法直觀地反應(yīng)于方案模型之中[3-5]。近年來，已有許多學(xué)者開始研究將建筑性能量化結(jié)果可視化于虛擬環(huán)境中，但仍缺少操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸便捷且主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合的集成式設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)。因此，本文建立了一種基于VR的可交互照明設(shè)計(jì)方法，并開發(fā)了一套可實(shí)現(xiàn)該方法的集成系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)師提供更具啟發(fā)性、直觀性和交互性的照明設(shè)計(jì)方法與工具。

1 輔助設(shè)計(jì)工具研究現(xiàn)狀

沉浸式虛擬環(huán)境(IVE, Immersive Virtual Environment)技術(shù)作為建筑領(lǐng)域的一種新興技術(shù)[6-8],因其強(qiáng)大的場(chǎng)景塑造能力，受到了設(shè)計(jì)師的廣泛關(guān)注。通過在計(jì)算機(jī)環(huán)境中創(chuàng)建第一人稱視角的多感官情境，設(shè)計(jì)師可以實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行交互操作。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷升級(jí)迭代，IVE所營(yíng)造的虛擬場(chǎng)景也愈發(fā)接近真實(shí)場(chǎng)景。近年來，許多研究通過功效實(shí)驗(yàn)、主觀問卷、生理指標(biāo)對(duì)比等方法探究計(jì)算機(jī)所營(yíng)造的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR, Virtual Reality)環(huán)境的真實(shí)性與浸潤(rùn)感，大量結(jié)果表明，使用者對(duì)VR的空間感知與生理反應(yīng)與現(xiàn)實(shí)世界無顯著差異的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9-11]?，F(xiàn)有的VR技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用以展示為主，為設(shè)計(jì)師提供沉浸式的建筑空間還原。值得注意的是，其在納入設(shè)計(jì)活動(dòng)、輔助交互設(shè)計(jì)的使用潛能尚未得到有效開發(fā)[1,2]。設(shè)計(jì)師借助VR技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行有效感知和操作，可增強(qiáng)自身對(duì)方案的主觀感知度，提升對(duì)落地效果的預(yù)判能力與設(shè)計(jì)決策效率。

近年來，隨著人們對(duì)舒適、健康的需求的提升，建筑性能設(shè)計(jì)也逐漸被建筑師所重視。將建筑性能設(shè)計(jì)納入設(shè)計(jì)初期階段，也是提升設(shè)計(jì)效果與效率的重要措施之一[12,13]。目前，建筑性能仿真與評(píng)價(jià)過程多處于項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)后期或施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師借助仿真軟件模擬量化建筑能耗、采光、通風(fēng)等各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)建筑方案做出反饋，進(jìn)而營(yíng)造人體生理舒適的客觀環(huán)境。這種處于方案后期的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)容易造成設(shè)計(jì)過程的循環(huán)往復(fù)，且模擬結(jié)果大多缺乏可視化呈現(xiàn)手段，無法直觀地反應(yīng)于方案模型之中，導(dǎo)致設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)方案與性能反饋之間的錯(cuò)誤理解，且難以用于指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)比選[3-5]。

因此，將建筑性能量化結(jié)果在IVE中進(jìn)行可視化呈現(xiàn)能夠有效輔助建筑師進(jìn)行方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年來，已有許多學(xué)者開始關(guān)注該研究?jī)?nèi)容，Natephra等[14]研究開發(fā)了一種基于BIM的照明設(shè)計(jì)反饋系統(tǒng)，用于照明條件可視化和能耗計(jì)算。Akin等[15]為探究沉浸式設(shè)計(jì)對(duì)建筑光環(huán)境設(shè)計(jì)的輔助性，將建筑信息模型(BIM)、交互式建筑設(shè)計(jì)與觀演建筑光環(huán)境設(shè)計(jì)等概念納入到VR環(huán)境內(nèi)，開發(fā)了一種新的工具。

上述研究為建筑照明設(shè)計(jì)提供了嶄新的設(shè)計(jì)方法與工具。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了一種基于VR的可交互照明設(shè)計(jì)方法，并開發(fā)了一套可實(shí)現(xiàn)該方法的集成系統(tǒng)。與以往的照明設(shè)計(jì)相比，該方法將照明方案性能設(shè)計(jì)前置于初步方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)合VR技術(shù)的場(chǎng)景塑造，同步為設(shè)計(jì)師提供直觀的照明效果體驗(yàn)與明確的方案模擬結(jié)果(室內(nèi)照度、當(dāng)前方案能耗)，方便設(shè)計(jì)師根據(jù)主客觀多維指標(biāo)評(píng)價(jià)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案，輔助設(shè)計(jì)決策，提升設(shè)計(jì)效率。系統(tǒng)則通過搭建Rhino與Unity的數(shù)據(jù)傳輸接口(API)，將VR交互技術(shù)、實(shí)時(shí)渲染技術(shù)與建模仿真技術(shù)進(jìn)行集成開發(fā)，將主客觀結(jié)合的設(shè)計(jì)理念納入到建筑照明方案設(shè)計(jì)初期，實(shí)現(xiàn)了建筑性能的可視化表達(dá)，幫助設(shè)計(jì)師從主觀空間感受與客觀建筑性能表現(xiàn)等多個(gè)維度認(rèn)知現(xiàn)有方案，快速獲取以性能為導(dǎo)向的最優(yōu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)方案，增強(qiáng)設(shè)計(jì)師人境交互體驗(yàn)感，為設(shè)計(jì)師提供更具啟發(fā)性、直觀性和交互性的照明設(shè)計(jì)方法與工具。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)下的照明交互設(shè)計(jì)方法

基于VR的交互照明設(shè)計(jì)方法可以為設(shè)計(jì)師營(yíng)造沉浸式的照明設(shè)計(jì)環(huán)境：通過建筑場(chǎng)景的營(yíng)造與照明模擬結(jié)果的實(shí)時(shí)傳輸與數(shù)據(jù)可視化，將照明方案主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合，進(jìn)而引導(dǎo)設(shè)計(jì)師關(guān)注方案設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，統(tǒng)籌考慮設(shè)計(jì)整體與局部的關(guān)系，避免眩光或照明死角的產(chǎn)生。圖1為該交互設(shè)計(jì)方法流程圖，該方法包括交互設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備、虛擬場(chǎng)景呈現(xiàn)與照明設(shè)計(jì)方案輸出三個(gè)階段。設(shè)計(jì)師首先需對(duì)建筑空間與室內(nèi)照明進(jìn)行初步設(shè)計(jì)并建立3D模型；之后通過交互設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師對(duì)方案的實(shí)時(shí)更改，并將照明模擬工作納入到方案設(shè)計(jì)前期階段，結(jié)合實(shí)時(shí)模擬結(jié)果判斷當(dāng)前方案是否滿足照明設(shè)計(jì)規(guī)范以及節(jié)能要求；最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師對(duì)當(dāng)前方案效果主觀上滿意且該方案各項(xiàng)客觀性能達(dá)到《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前方案照明報(bào)告的輸出，獲取設(shè)計(jì)結(jié)果反饋。

圖1 交互設(shè)計(jì)方法流程圖Fig.1 Interactive design method flow chart

2.1 交互設(shè)計(jì)方法流程

2.1.1 交互設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備

在交互設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段，設(shè)計(jì)師首先要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)需要，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括燈具類型的選擇、初始位置確定等。根據(jù)初步方案應(yīng)用Rhino、3ds Max、Revit等建模軟件進(jìn)行室內(nèi)場(chǎng)景建模，建模過程應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景等比例建造，在不影響使用者空間認(rèn)知的前提下，適度簡(jiǎn)化局部細(xì)節(jié)，優(yōu)化模型文件大小，并根據(jù)實(shí)際空間效果為模型賦予合適的材質(zhì)貼圖，以期最大限度還原真實(shí)空間場(chǎng)景的前提下節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算資源。將建立好的3D模型整理后導(dǎo)出為.Obj或.Fbx格式，以方便后續(xù)導(dǎo)入至交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)之中。之后，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)仿真軟件需要進(jìn)一步優(yōu)化仿真模型，調(diào)整材料光學(xué)參數(shù)，并根據(jù)需要選擇合適的模擬類型，設(shè)置各項(xiàng)模擬參數(shù)。

2.1.2 虛擬場(chǎng)景與平臺(tái)搭建

虛擬場(chǎng)景的搭建基于例如Unity、Unreal Engine(UE4)等可支持VR技術(shù)的游戲開發(fā)平臺(tái)。設(shè)計(jì)師可將整理好的模型導(dǎo)入上述平臺(tái)之中并對(duì)其材質(zhì)參數(shù)與貼圖坐標(biāo)等進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景設(shè)置環(huán)境光源，并通過渲染效果反復(fù)調(diào)整渲染參數(shù)，完成虛擬場(chǎng)景的搭建。

平臺(tái)搭建主要是指建立建模仿真平臺(tái)與渲染平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸接口(API)，將建模平臺(tái)幾何、材質(zhì)等多維信息傳輸至IVE渲染平臺(tái)，保證不同平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通，以便實(shí)現(xiàn)有效、完整、快速的數(shù)據(jù)集成，完成平臺(tái)初步搭建。之后再根據(jù)使用需求對(duì)平臺(tái)功能進(jìn)行設(shè)置與完善，優(yōu)化用戶體驗(yàn)：包括實(shí)現(xiàn)用戶在IVE環(huán)境內(nèi)的交互與漫游，交互界面設(shè)計(jì)、交互方式設(shè)計(jì)等。

2.1.3 交互設(shè)計(jì)操作

當(dāng)虛擬場(chǎng)景與平臺(tái)搭建完成后，設(shè)計(jì)師即可在IVE內(nèi)直觀感受當(dāng)前照明方案，并根據(jù)實(shí)際效果對(duì)方案進(jìn)行交互設(shè)計(jì)：燈具位置調(diào)節(jié)、燈具啟閉調(diào)節(jié)等。設(shè)計(jì)師可以通過在IVE場(chǎng)景的四處游走，體驗(yàn)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的照明效果。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前方案性能仿真模擬結(jié)果進(jìn)行可視化，直觀顯示在虛擬環(huán)境中。設(shè)計(jì)師即可根據(jù)可視化后的直觀結(jié)果判斷當(dāng)前方案是否滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足則可重復(fù)上述交互設(shè)計(jì)流程對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。最終當(dāng)設(shè)計(jì)師得到照明效果合適且滿足各類規(guī)范的照明設(shè)計(jì)方案后，即主客觀指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)預(yù)期后，可直接輸出當(dāng)前方案的照明設(shè)計(jì)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容主要包括燈具位置信息，室內(nèi)照度值、照度均勻度值等。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)下的照明交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)

3.1 照明交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所建立的基于VR技術(shù)的建筑照明交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖2所示，包含物理層(基礎(chǔ)硬件設(shè)施)、建模仿真層、接口層和交互應(yīng)用層4個(gè)部分。與現(xiàn)有的沉浸式建筑工具相比，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要通過建模仿真軟件與游戲開發(fā)引擎的接口開發(fā)，實(shí)現(xiàn)建模平臺(tái)與游戲引擎之間的雙向工作流，方便設(shè)計(jì)師在不同平臺(tái)內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化、仿真模擬等操作，并保證連續(xù)完整的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)過程。

圖2 照明交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Lighting interactive design system structure

如圖2可知，該系統(tǒng)主要依靠Rhino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建模仿真模塊功能，使用GH平臺(tái)生成燈具模型與模擬結(jié)果，并依靠Unity平臺(tái)實(shí)現(xiàn)VR場(chǎng)景渲染，營(yíng)建沉浸式虛擬環(huán)境以輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行照明方案感知與調(diào)整。通過搭建基于Rhino平臺(tái)與Unity開發(fā)引擎的數(shù)據(jù)傳輸接口，該系統(tǒng)可使設(shè)計(jì)師通過鍵鼠輸入與VR手柄操作兩種人機(jī)交互方式完成方案設(shè)計(jì)工作，采取函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)雙平臺(tái)的數(shù)據(jù)連通，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾耘c便捷性。

3.2 功能模塊構(gòu)成

3.2.1 物理層

交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于VR環(huán)境開發(fā)，使用市面主流的PC型VR頭顯HTC Vive Pro Eye作為顯示設(shè)備，中央處理設(shè)備運(yùn)行環(huán)境為Intel(R) Xeon(R)48核，64G RAM內(nèi)存，64位Windows 10 操作系統(tǒng)，顯卡為NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti。

3.2.2 建模仿真層：基于Rhino平臺(tái)

系統(tǒng)選擇Unity 2019.3.14游戲引擎作為開發(fā)平臺(tái)，使用Rhino平臺(tái)完成場(chǎng)景建模，并結(jié)合GrassHopper(GH)插件實(shí)現(xiàn)照明模擬與數(shù)據(jù)傳輸工作。Rhino支持.Obj與.Fbx格式的文件輸出，輸出后的模型可直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity中使用。Ladybug與Honeybee是GH平臺(tái)上一種的采光分析插件，通過調(diào)用Radiance軟件進(jìn)行照明仿真模擬，獲取仿真結(jié)果。因此，該系統(tǒng)基于Rhino與GH平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建模仿真，并通過編寫GH電池得到數(shù)據(jù)接口(API)，將燈具信息(包括燈具位置、.ies文件)與模擬結(jié)果通過API進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并在Unity平臺(tái)下進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)。

3.2.3 接口層：Rhino平臺(tái)與Unity引擎雙向傳輸

為實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)的數(shù)據(jù)有效翻譯，本系統(tǒng)采用Rhino、Unity平臺(tái)共同支持的C#語(yǔ)言進(jìn)行接口構(gòu)建，基于Rhino.Inside.Unity插件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。Rhino.Inside是一個(gè)開源的Rhino WIP項(xiàng)目，它提供數(shù)據(jù)翻譯API，允許用戶在其他軟件的框架內(nèi)調(diào)用Rhino，形成不同軟件間的數(shù)據(jù)協(xié)作與聯(lián)動(dòng)。因此，Rhino.Inside.Unity允許Unity數(shù)據(jù)與Rhino幾何圖形與元數(shù)據(jù)之間創(chuàng)建自定義轉(zhuǎn)換工作流,將 Rhino幾何形狀安全地轉(zhuǎn)換為Unity網(wǎng)格數(shù)據(jù)，該API可通過GH與Unity的C#腳本同時(shí)訪問Rhino API、GrassHopper API與Unity API，以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括兩類，第一類是GH內(nèi)電池元素傳輸，具體是將GH內(nèi)的燈具位置控制Slider與模擬控制Toggle實(shí)例化為Unity Slider與Unity Toggle，并保持?jǐn)?shù)據(jù)互通，以方便在兩個(gè)軟件內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整燈具位置，控制模擬運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互，電池API如圖3(a)所示；第二類是Rhino內(nèi)幾何元素傳輸，將GH的燈具幾何模型以及可視化后的仿真結(jié)果偽色圖翻譯為Unity網(wǎng)格，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)于Unity平臺(tái)內(nèi)，電池API如圖3(b)所示。

圖3(a) GH電池傳輸APIFig.3(a) Slider transmission API

圖3(b) 幾何元素傳輸APIFig.3(b) Geometry transmission API

3.2.4 交互應(yīng)用層：基于Unity引擎

從接口層實(shí)時(shí)獲取到的模型信息與仿真結(jié)果將通過VR技術(shù)進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)。在該場(chǎng)景中，通過不同功能模塊的C#腳本的編寫，可實(shí)現(xiàn)建筑師與場(chǎng)景間的交互設(shè)計(jì)，交互功能包括：場(chǎng)景漫游、燈具的位置移動(dòng)與啟閉、性能數(shù)據(jù)的可視化、照明方案報(bào)告的導(dǎo)出等。最終將所有功能整合好的Unity項(xiàng)目保存Unity場(chǎng)景并導(dǎo)出為.unity文件包，完成系統(tǒng)的最終封裝。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)下的建筑照明交互設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

圖4所示為該系統(tǒng)各模塊的詳細(xì)功能架構(gòu)，使用該系統(tǒng)進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可自行導(dǎo)入待挑選的燈具模型與設(shè)計(jì)場(chǎng)景，之后可于VR環(huán)境內(nèi)通過手柄直接調(diào)整燈具位置信息，通過場(chǎng)景漫游與控制各燈具的其啟閉狀態(tài)直觀感知不同照明方案下的室內(nèi)照明效果，調(diào)整后的位置信息將會(huì)直接更新于Rhino模型當(dāng)中。此外，設(shè)計(jì)師可隨時(shí)通過模擬控制按鈕對(duì)當(dāng)前照明方案展開模擬仿真，并在VR內(nèi)觀察全方位仿真結(jié)果，進(jìn)而根據(jù)客觀照明指標(biāo)評(píng)價(jià)當(dāng)前方案，當(dāng)設(shè)計(jì)師對(duì)當(dāng)前方案的主客觀評(píng)估結(jié)果皆滿意后，通過UI交互即可直接輸出當(dāng)前場(chǎng)景的照明方案報(bào)告，并獲取調(diào)節(jié)好的Rhino模型，完成照明設(shè)計(jì)。

圖4 照明交互設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.4 Functional architecture of lighting interaction design auxiliary system

為探究該交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能、用戶體驗(yàn)感與局限性，最大程度地減少系統(tǒng)使用過程中的專業(yè)限制問題，本文選取15名建筑設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生，以天津某高校教學(xué)樓典型教室為場(chǎng)景進(jìn)行照明交互設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。教室照明設(shè)計(jì)不僅需要滿足客觀的照明設(shè)計(jì)規(guī)范，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景探究眩光、空間感受等主觀因素的影響。使用該系統(tǒng)可以方便設(shè)計(jì)師將主觀視覺功能與客觀性能指標(biāo)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出適宜該教室環(huán)境的有效照明方案。

4.1 用戶設(shè)計(jì)體驗(yàn)

4.1.1 前期準(zhǔn)備

本次照明場(chǎng)景選取的教室長(zhǎng)12 m、寬8.75 m，平面示意如圖5所示。通過軟件建模，賦予材質(zhì)信息，并進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)，初步方案燈具布點(diǎn)如圖6所示。

在搭建好的Rhino模型中打開GH平臺(tái)，根據(jù)模擬程序(圖7)預(yù)留接口為該教室場(chǎng)景設(shè)置照明模擬參數(shù)，包括調(diào)整材料光學(xué)參數(shù)、網(wǎng)格大小、初始燈具的位置以及選取合適的配光曲線。根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)進(jìn)行場(chǎng)景預(yù)仿真，確保模擬程序成功運(yùn)行。將導(dǎo)出的模型與GH程序進(jìn)行保存。

圖5 教室平面示意圖Fig.5 The plan of classroom

圖6 初步方案燈具布點(diǎn)圖Fig.6 The plan of lighting layout

4.1.2 虛擬場(chǎng)景與平臺(tái)搭建

將導(dǎo)出的模型(圖8)拖入U(xiǎn)nity軟件內(nèi)，重新生成模型UV貼圖，調(diào)整模型材質(zhì)與渲染參數(shù)，并進(jìn)行場(chǎng)景渲染，渲染好的室內(nèi)場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景對(duì)比如圖9、圖10所示。

圖8(a) 教室模型1Fig.8(a) Classroom 3D model 1

圖8(b) 教室模型2Fig.8(b) Classroom 3D model 2

圖9(a) 角度1實(shí)際場(chǎng)景Fig.9(a) Classroom reality scene 1

圖9(b) 角度1渲染場(chǎng)景Fig.9(b) Classroom render scene 1

圖10(a) 角度2實(shí)際場(chǎng)景Fig.10(a) Classroom reality scene 2

圖10(b) 角度2渲染場(chǎng)景Fig.10(b) Classroom render scene 2

圖11(a) UI界面?zhèn)鬏擣ig.11(a) UI transmission

圖11(b) 模擬結(jié)果傳輸Fig.11(b) Simulation results transmission

在GH文件中增添數(shù)據(jù)傳輸電池塊，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型不同，將上述兩類電池塊按需添加至文件內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)燈具位置控制滑塊與模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸。之后，將打包好的Unity文件包導(dǎo)入至上述項(xiàng)目?jī)?nèi)，在加載完成的項(xiàng)目?jī)?nèi)打開Rhino平臺(tái)并選取測(cè)試后的GH程序，運(yùn)行程序測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸，部分傳輸效果如圖11所示。

在Unity項(xiàng)目?jī)?nèi)導(dǎo)入SteamVR、ViveInputUtility插件包,為使用者添加場(chǎng)景漫游，使用HTC頭顯與開發(fā)手柄實(shí)現(xiàn)交互操作，將已編寫的C#代碼添加至UI界面與交互物體，并根據(jù)交互需求設(shè)置手柄按鍵，按鍵功能與交互操作如圖12、圖13所示。

圖12 手柄按鍵操作Fig.12 Controller button instruction

圖13 場(chǎng)景交互操作Fig.13 Interact in IVE

4.1.3 交互設(shè)計(jì)操作

設(shè)計(jì)體驗(yàn)流程如圖14所示，在每個(gè)用戶開始設(shè)計(jì)之前進(jìn)行3 min系統(tǒng)操作培訓(xùn)，確保使用者了解系統(tǒng)功能與工作原理，在初步適應(yīng)IVE與系統(tǒng)后，使用者可以在20 min內(nèi)對(duì)室內(nèi)燈具位置進(jìn)行自由設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中可隨時(shí)運(yùn)行模擬程序查看可視化仿真結(jié)果，當(dāng)用戶對(duì)當(dāng)前方案滿意后可點(diǎn)擊輸出照明報(bào)告，照明設(shè)計(jì)結(jié)束。部分實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖15所示。隨后，對(duì)每位使用者進(jìn)行了IPQ存在感問卷調(diào)查(附錄1)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用反饋。

圖14 設(shè)計(jì)體驗(yàn)流程Fig.14 Design experience process

圖15(a) 實(shí)驗(yàn)被試1Fig.15(a) Participant No.1

圖15(b) 實(shí)驗(yàn)被試2Fig.15(b) Participant No.2

4.2 應(yīng)用結(jié)果展示

結(jié)果表明，該交互系統(tǒng)可同時(shí)為設(shè)計(jì)師提供照明方案主客觀評(píng)價(jià)依據(jù)，具體包括IVE環(huán)境下的室內(nèi)照明效果(圖16)與實(shí)時(shí)模擬結(jié)果(包括工作面照度云圖，圖17；室內(nèi)表面照度云圖，圖18)、更新后的Rhino燈具模型(圖19)以及當(dāng)前方案照明報(bào)告(圖20)。

圖16(a) 室內(nèi)照明效果1Fig.16(a) Real-time rendering 1

圖16(b) 室內(nèi)照明效果2Fig.16(b) Real-time rendering 2

圖17 工作面照度云圖Fig.17 Illuminance false color of working surface

圖18 室內(nèi)表面照度云圖Fig.18 Illuminance false color of room surface

圖19 Rhino燈具模型Fig.19 Lighting simulation model in Rhino

圖20 照明方案報(bào)告Fig.20 Lighting simulation report

4.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

在場(chǎng)景真實(shí)性方面，本文采取中文版IPQ(Igroup Presence Questionnaire)問卷進(jìn)行虛擬環(huán)境存在感調(diào)查。IPQ問卷由Schubert等編制，概念框架清晰，可信度與有效度較好，應(yīng)用廣泛，在虛擬環(huán)境沉浸感測(cè)量中最具代表性[16,17]。本文采用的IPQ問卷為清華大學(xué)王希與首都師范大學(xué)梁家輝等人翻譯修訂后的中文版本問卷[18,19]，采用李克特7分量表(分值范圍0～6，分值代表實(shí)驗(yàn)者對(duì)該問題的認(rèn)可度，分值越高表示認(rèn)可度越高，反之亦然)的形式對(duì)各個(gè)問題進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)。IPQ問卷包括三個(gè)維度：空間臨場(chǎng)感(Spatial presence, SP)、參與感(Involvement, Inv)與逼真感(Experienced Realism, Real)以及一個(gè)總體評(píng)價(jià)的一般因素(General Presence, G)，問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1結(jié)果，可得出以下結(jié)論(其中題目2、8為反向計(jì)分，結(jié)果分析時(shí)將得分進(jìn)行修正處理)，分析后的結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖21所示。

(1)空間臨場(chǎng)感(問題1～5)：平均得分為5.24，其主要反映IVE場(chǎng)景引起的空間感知程度。本研究該因素得分偏高，這表明參與者置身于眼前所見到的虛擬空間當(dāng)中的程度較高，即本研究所搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可為參與者提供高程度的浸潤(rùn)感。

(2)參與感(問題6～9)：平均得分3.75，主要反映IVE環(huán)境對(duì)參與者接收現(xiàn)實(shí)世界消息的阻礙程度，即判斷參與者是否全身心地投入到了虛擬場(chǎng)景中。該因素得分偏低，這可能是由于本文所搭建的場(chǎng)景主要提供視覺環(huán)境，被試對(duì)于聽覺等其他因素的接收仍是來源于真實(shí)世界，這導(dǎo)致被試無法將全部的注意力集中于虛擬環(huán)境內(nèi)，容易產(chǎn)生注意力的分散。

(3)逼真感(問題10～13)：平均得分4.41，反映所搭建的IVE環(huán)境對(duì)于真實(shí)世界的還原程度。該因素得分較高，且高于大多數(shù)先前研究分?jǐn)?shù)[20]，這表明本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的營(yíng)建真實(shí)度較高，可以極大程度地反映真實(shí)環(huán)境。

(4)總體評(píng)價(jià)(問題14)：得分5.71，表明參與者對(duì)該虛擬環(huán)境的整體感知評(píng)價(jià)。該因素得分為四個(gè)因素中的最高分，這充分表明該虛擬環(huán)境的整體存在感較高，可以為參與者提供較為真實(shí)的空間感知，表明該虛擬場(chǎng)景的可信度較高。

表1 IPQ問卷統(tǒng)計(jì)得分

總體而言，本研究四個(gè)因素得分均高于中等水平(3分)，其中與存在感相關(guān)的因素(G，SP)的IPQ得分較高，這表明創(chuàng)建的虛擬環(huán)境為參與者提供了足夠的存在感；而與現(xiàn)實(shí)相關(guān)的因素(Inv，Real)得分低于存在感因素，這與以往研究的結(jié)果呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)[20]，這表明虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景尚無法完全阻隔來自真實(shí)環(huán)境的信息，在之后的場(chǎng)景搭建中還應(yīng)增強(qiáng)對(duì)于觸覺、聽覺等多維度感知覺的思考。

在系統(tǒng)適用性方面，15名參與者均通過交互設(shè)計(jì)后得到了滿意的照明設(shè)計(jì)效果與設(shè)計(jì)方案報(bào)告，所有參與者均表示該系統(tǒng)可以真實(shí)反映照明場(chǎng)景，提升設(shè)計(jì)趣味性。對(duì)于輔助照明設(shè)計(jì)效果而言，參與者表示通過對(duì)VR環(huán)境中燈具的交互，可清楚感知設(shè)計(jì)調(diào)整過程中每步操作對(duì)整體方案效果的影響；并且通過在室內(nèi)環(huán)境的不斷游走，可以清楚觀察到空間角落與細(xì)節(jié)中的方案效果，指導(dǎo)方案細(xì)節(jié)的深化與調(diào)整。此外，部分參與者將該設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)照明設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為使用交互設(shè)計(jì)可以直觀體驗(yàn)方案落地效果，關(guān)注方案細(xì)節(jié)，極大程度地避免了由于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的后續(xù)問題，以及設(shè)計(jì)效果圖與實(shí)際成果無法匹配的尷尬場(chǎng)景，提升了設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)效果的把控能力，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)過程的循環(huán)往復(fù)。

圖21 IPQ問卷得分Fig.21 IPQ results

5 總結(jié)與展望

本文主要提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的照明設(shè)計(jì)交互方法，并開發(fā)與評(píng)估了實(shí)現(xiàn)該方法的交互設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)，旨在將IVE主觀環(huán)境感知與性能模擬客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)相集成，于方案設(shè)計(jì)初期支持基于主客觀指標(biāo)相結(jié)合的設(shè)計(jì)過程。與以往設(shè)計(jì)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)Rhino與Unity引擎之間的雙向數(shù)據(jù)流傳輸，允許設(shè)計(jì)師在兩種環(huán)境中體驗(yàn)與編輯設(shè)計(jì)方案與模型，同時(shí)在IVE中可視化性能模擬結(jié)果，并對(duì)照明方案進(jìn)行感知、交互和編輯。選取某教室作為使用場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估，用戶體驗(yàn)研究由15名使用者進(jìn)行，采取IPQ問卷調(diào)查使用者的虛擬環(huán)境沉浸感并通過問答的方式獲取用戶的系統(tǒng)使用反饋。結(jié)果表明，交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過在場(chǎng)景中的實(shí)際體驗(yàn)來增強(qiáng)視覺主觀感知度，同時(shí)可實(shí)時(shí)可視化方案性能參數(shù)，客觀比較方案優(yōu)劣，提升決策效率，合理實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑美學(xué)與建筑性能的設(shè)計(jì)。即相比以往照明設(shè)計(jì)方法，該方法可于設(shè)計(jì)初期快速獲取照明設(shè)計(jì)的主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，輔助設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確的完成照明設(shè)計(jì)方案推敲與性能模擬評(píng)價(jià)工作，以方便設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段前期同時(shí)獲取方案的主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果，提升設(shè)計(jì)師的方案預(yù)判能力，減少設(shè)計(jì)過程的循環(huán)往復(fù)，提升設(shè)計(jì)效率。

但對(duì)于照明設(shè)計(jì)而言，燈具色溫、亮度等都是重要影響因素，但該系統(tǒng)目前僅支持對(duì)于燈具配光曲線的選取與位置的挪動(dòng)，尚未納入其他因素。此外，還應(yīng)將建筑能耗、風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境等其他性能參數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行集成，考慮各類功能需求，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的使用范圍與場(chǎng)景。對(duì)于設(shè)計(jì)方法優(yōu)化而言，近年來，終端用戶的行為現(xiàn)已被廣泛認(rèn)為是造成建筑性能不確定性的主要因素，雖然在近十年里，涌現(xiàn)了大批關(guān)于這一主題的研究，但由于方法和技術(shù)的限制，該方向的研究還存在著許多問題[21]。虛擬現(xiàn)實(shí)工具是現(xiàn)階段研究不同環(huán)境或情境下的人類行為最方便、有效的工具手段。對(duì)于以用戶為中心的設(shè)計(jì)而言，只有使用戶真正參與設(shè)計(jì)決策過程，才可達(dá)到令人滿意的結(jié)果[22，23]。在后續(xù)研究中，應(yīng)加強(qiáng)考慮將終端用戶行為納入方案設(shè)計(jì)階段的可行性，使用VR環(huán)境采集用戶偏好，提升設(shè)計(jì)雙方的溝通效率，增強(qiáng)結(jié)果滿意度。