《International Journal of Human-Computer Studies》：UPDesign:Enhancing User Experience of Urban Planning Design Using Mixed Reality
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混合现实技术赋能非专业用户都市规划场景下的高效交互与设计表达，通过手势与语音融合输入实现现场3D模型创建、修改及可视化，降低专业门槛并提升多方协作效率。
Jin Bai|Mohd Shahrizal Sunar|Norhaida Mohd Suaib
马来西亚技术大学计算机学院，81310马来西亚
摘要
尽管城市规划长期以来一直倡导使用更直观的视觉设计方法，但为非专业利益相关者量身定制的沉浸式可视化和交互方法仍然有限。为了解决这一挑战，我们提出了UPDesign，这是一种支持现场创建、修改和绘图的城市规划可视化交互方法。本文介绍了UPDesign的设计和实现，强调了交互操作的改进，并评估了用户体验。结果表明，UPDesign通过在混合现实（MR）环境中结合手势和语音输入，有效地支持了设计方案的快速构思和表达，展现了良好的通用性。这项研究为在城市规划中应用MR技术提供了一条新途径，为非专业用户提供了一种低门槛、用户友好的工具，帮助克服了现有MR方法在交互性和可用性方面的局限性。
引言
管理城市规划方案涉及一个既具有创造性又具有迭代性的决策过程（Billger等人，2017年）。其中，总体规划阶段在连接前后的各个阶段中起着至关重要的作用（Isaacs等人，2011年）。在这一阶段，规划团队需要开发多个初步设计方案，重点关注空间布局、土地利用和交通组织，然后通过系统评估和选择来确定后续规划的方向（Imottesjo和Kain，2022年）（见图1）。正是在这个阶段，反复的讨论、阐述、修订和评估成为设计进展的关键驱动力（Learning，2017年；Reaver，2022年），通常还需要临时性的设计灵感来进行讨论（Kang等人，2013年）。这一过程需要多个利益相关者之间的有效沟通，包括设计师、开发商、投资者和市政部门（Sa?mannshausen等人，2021年）。然而，传统的城市规划方法往往过于专业化，技术门槛较高（例如AutoCAD、Sketchup等工具）（Rohil和Ashok，2022年），这阻碍了没有设计技能的利益相关者的参与（Imottesjo和Kain，2022年；Wang和Lin，2023年）。此外，现有的方法在展示、讨论和修改设计方案时也缺乏直观性和实时交互性，导致沟通效率低下，修订和反馈过程漫长，进一步增加了时间成本（Kunze等人，2012年）。学术研究表明，在复杂的决策环境中，直观和实时的可视化方法可以显著提高解决方案讨论的效率和决策的准确性（Dan等人，2021年；Othengrafen等人，2023年）。因此，构建一种易于使用且直观的混合现实（MR）城市规划设计方法可以显著提高设计和沟通的效率，对总体规划阶段大有帮助（Davila Delgado等人，2020年；Szczepańska等人，2021年）。
尽管AutoCAD、SketchUp和BIM（建筑信息模型）具有专业的高精度测量、建模和设计效果（Stark等人，2010年），但它们通常基于异步工作模式（Shen等人，2010年），设计师、开发商、投资者和其他利益相关者需要通过文件共享或云同步来进行修改和反馈。这种方法可能导致沟通延迟或信息不对称，尤其是在复杂的城市规划项目中，由于沟通不畅，不同利益相关者的意见容易产生误解。此外，传统的工具如AutoCAD和BIM可以执行三维（3D）建模，但它们仍然在二维（2D）屏幕上呈现3D视觉效果，这与真实的空间体验相去甚远（Boos等人，2023年；Rohil和Ashok，2022年；Skov等人，2013年）。
当用户在二维屏幕上设计和评估三维建筑之间的关系时，很难获得建筑物在真实环境中的空间感和比例感。另一方面，混合现实技术正被用作人机交互（HCI）中CAD的新兴替代方案（Wolf等人，2020年），使用户能够更清晰地感知3D模型，在大多数情况下，以自由自然的方式操作，通过在3D空间中移动手来进行输入（Arroyave-Tobón等人，2015年）。MR方法可以参与设计讨论，观察修改效果，并通过实时3D可视化和交互提供反馈，减少反馈过程中的延迟。
然而，并非所有的MR设计方法都能实现良好的设计效果和自然交互。构建灵活、高度适用且易于操作的MR设计方法是一个挑战（Ernst等人，2021年；Feiner等人，1995年；Ishii等人，2002年；Wang等人，2018年；Wang，2009年）。当前的现场设计方法基于少量且不变的预定义模型，所提供的操作也有限（Arroyave-Tobón等人，2015年；Dan等人，2021年）。有时它们不适用于多种复杂的用途场景，缺乏灵活性和多样性。因此，我们致力于开发一种名为UPDesign的方法，使任何参与城市规划讨论的人都能通过手势和语音交互快速直观地创建虚拟规划概念。它允许用户快速构建、草图绘制、操作和重塑混合现实中的空间元素，同时提供实时交互的可能性。
基于本研究的重点，提出了以下研究问题（RQ）：混合现实如何在城市规划背景下增强早期沟通和概念设计表达（Dalim等人，2016年）。本研究重点关注总体规划阶段，强调规划概念的直观表达和早期讨论中的一致性形成。本研究的目标用户包括所有参与规划概念沟通和探索的人，包括接受过系统城市规划培训的专业人士，以及没有接受过正式规划或设计培训但在实际规划讨论和决策过程中发挥作用的非专业参与者，如市政代表、开发商、政策制定者或管理人员。在用户招募阶段，研究区分了具有专业和非专业背景的参与者，但该方法本身的交互和表达机制并不依赖于用户是否具有特定的学术背景或专业设计培训。相反，它利用MR技术支持不同专业角色的参与者在现实世界场景中进行概念化。其目标是提高设计表达和沟通的效率，而不是进行精确的城市建模。
在本研究中，UPDesign支持直观便捷的概念城市设计和展示。该方法通过引入变形、部分复制和表面设计功能，扩展了传统的3D操作，使用户能够在混合现实环境中更有效地表达自己。这些功能集成在一个环境中，允许用户实时编辑和可视化设计，而无需在不同工具之间切换。此外，UPDesign还包括一个自由形式的草图模块，用于补充想法和注释讨论，为表达和细化规划概念提供了新的交互范式。本研究的主要贡献如下：
•基于传统的3D操作，引入了变形、部分复制和表面设计等交互操作，以扩展和增强用户在混合现实环境中的表达能力。
•实现了UPDesign的概念验证，这是一种基于混合现实的方法，允许用户在现场放置、调整和编辑模型，并补充演示。
•通过进行可用性测试，我们对MR技术在城市规划和设计中的应用进行了实证研究，探讨了不同交互模式对用户体验的影响，不同专业背景的用户之间的性能差异，以及用户主观体验与客观任务表现之间的相关性。
相关研究
相关工作
综合了多个研究方向，UPDesign整合了混合现实制造和设计、城市规划混合现实工具、多模态交互和3D对象操作技术。因此，有许多先前的工作对本文的特定方面非常重要。方法论
本研究采用以用户为中心的设计方法，探讨了上述研究问题。这一研究过程主要包括三个阶段：问题调查与分析、方法设计与概念验证、以及可用性测试。方法设计与概念验证
在本研究的实际实施基础上，本节介绍了方法设计与概念验证过程，详细说明了所提出方法的发展和完善过程，以确保与研究目标的一致性。评估
在实验室中模拟城市规划和设计的过程中，我们邀请了25名参与者参与研究。根据我们的研究目标，我们从三个方面评估了MR方法在改善城市规划和设计体验方面的有效性：效率、效果以及通过可用性研究、问卷调查和访谈获得的主观满意度。结果与讨论
与本研究的核心目标一致，本节阐述了结果和讨论，分析了发现，揭示了重要的趋势、解释和含义，进一步加深了对研究目标的理解。结论与未来工作
本研究强调了混合现实在城市规划中的作用，表明UPDesign通过手势和语音输入实现了实时可视化和现场设计，推动了方法论和实践的发展。该方法允许用户直观地设计、编辑和展示总体规划场景中的预定义3D城市组件，显著提高了设计效率和表现力。此外，对于缺乏建模经验的非专业人士，UPDesign提供了CRediT作者贡献声明
Jin Bai：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Mohd Shahrizal Sunar：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。Norhaida Mohd Suaib：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。
