苑思楠，張玉坤

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072)

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是一種綜合計算機(jī)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(jìn)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(jì)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(jī)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(xué)開發(fā)的虛擬故宮、武漢大學(xué)開發(fā)的數(shù)碼城市系統(tǒng)，此外同濟(jì)大學(xué)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(xué)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(jī)進(jìn)行結(jié)合作用問題，還根本未涉及人類對世界的認(rèn)知機(jī)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(rèn)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(rèn)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(jìn)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(rèn)知結(jié)果同客觀空間形態(tài)量化描述進(jìn)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(rèn)知的影響作用，并深入解析了這種影響過程的機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(jìn)行空間體驗，從而展開對城市空間主觀認(rèn)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(rèn)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(rèn)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(jì)傳統(tǒng)城市街道機(jī)理;而青巖則代表了中國的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)聚落街道機(jī)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(jìn)行辨識，并研究人在運(yùn)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(biāo)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(rèn)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(fēng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行描述，從而同隨后進(jìn)行的主觀實驗結(jié)果進(jìn)行比較分析。分析涵蓋了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渑c幾何兩方面形態(tài)特性，其中拓?fù)涮匦悦枋隽司W(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?fù)湫螒B(tài)特性。研究利用“空間句法”對3個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫螒B(tài)特性進(jìn)行定量分析，該理論研究方法由英國學(xué)者比爾·希利爾于20世紀(jì)80年代創(chuàng)立，目前已成為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鏊捎玫闹饕芯糠椒?。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(biāo)。整合度值高低代表了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接性能的強(qiáng)弱，連接性強(qiáng)則意味該區(qū)域易于到達(dá)，反之則不易到達(dá)。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。可理解度低，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(jìn)行計量。網(wǎng)絡(luò)密度指標(biāo)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(biāo)，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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)，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(rèn)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(rèn)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(rèn)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(biāo)的分析結(jié)果相一致。

同時從表2中也可以看到，另有相當(dāng)一部分參測者(35%)認(rèn)為3個網(wǎng)絡(luò)之間各不相同。他們在體驗過程中進(jìn)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(biāo)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(rèn)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(rèn)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(yùn)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(jìn)行統(tǒng)計分析后，研究進(jìn)一步解析這種認(rèn)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(jìn)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(jìn)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?fù)湫悦枋雠c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(rèn)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(jìn)行識別和記憶。可以看到在描述統(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(yuǎn)高于拓?fù)湫悦枋龅念l率。同時參測者在對網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的認(rèn)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(yuǎn)”、“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(xì)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(dāng)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(biāo)外，網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)的其它復(fù)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?fù)湫悦枋鲋饕婕熬W(wǎng)絡(luò)的易辨識程度，其空間判斷與可理解度指標(biāo)緊密相關(guān)。這也進(jìn)一步解釋了在問卷選擇時，為何相當(dāng)一部分參測者認(rèn)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(rèn)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(rèn)為其“易迷失”，并”多死胡同“;而對于可理解度指標(biāo)介于兩者之間的網(wǎng)絡(luò)A，認(rèn)為其“易迷失”與認(rèn)為其“導(dǎo)向性強(qiáng)”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(biāo)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(rèn)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(rèn)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(rèn)知產(chǎn)生的主觀過程。該實驗使我們對于人的空間認(rèn)知機(jī)制具有了更深的理解，這一方面將促進(jìn)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(xué)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(rèn)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(rèn)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(fù)雜的對象第一次可以被置于“實驗室”的環(huán)境中進(jìn)行主觀認(rèn)知研究。在虛擬實驗室中，自然科學(xué)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(fù)雜的城市現(xiàn)象，將自然城市環(huán)境中各種復(fù)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(rèn)知過程。人對街道網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)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(rèn)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(rèn)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(rèn)知的本質(zhì)。

本文所進(jìn)行的城市認(rèn)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(kuò)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(rèn)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(jìn)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?？梢钥吹剑摂M現(xiàn)實技術(shù)憑借其低成本、可操作性強(qiáng)以及與人感官知覺緊密關(guān)聯(lián)等諸多特性，在環(huán)境認(rèn)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(jìn)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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