《International Journal of Human-Computer Studies》：UPDesign:Enhancing User Experience of Urban Planning Design Using Mixed Reality
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混合現實技術賦能非專業用戶都市規劃場景下的高效交互與設計表達，通過手勢與語音融合輸入實現現場3D模型創建、修改及可視化，降低專業門檻并提升多方協作效率。
Jin Bai|Mohd Shahrizal Sunar|Norhaida Mohd Suaib
馬來西亞技術大學計算機學院，81310馬來西亞
摘要
盡管城市規劃長期以來一直倡導使用更直觀的視覺設計方法，但為非專業利益相關者量身定制的沉浸式可視化和交互方法仍然有限。為了解決這一挑戰，我們提出了UPDesign，這是一種支持現場創建、修改和繪圖的城市規劃可視化交互方法。本文介紹了UPDesign的設計和實現，強調了交互操作的改進，并評估了用戶體驗。結果表明，UPDesign通過在混合現實（MR）環境中結合手勢和語音輸入，有效地支持了設計方案的快速構思和表達，展現了良好的通用性。這項研究為在城市規劃中應用MR技術提供了一條新途徑，為非專業用戶提供了一種低門檻、用戶友好的工具，幫助克服了現有MR方法在交互性和可用性方面的局限性。
引言
管理城市規劃方案涉及一個既具有創造性又具有迭代性的決策過程（Billger等人，2017年）。其中，總體規劃階段在連接前后的各個階段中起著至關重要的作用（Isaacs等人，2011年）。在這一階段，規劃團隊需要開發多個初步設計方案，重點關注空間布局、土地利用和交通組織，然后通過系統評估和選擇來確定后續規劃的方向（Imottesjo和Kain，2022年）（見圖1）。正是在這個階段，反復的討論、闡述、修訂和評估成為設計進展的關鍵驅動力（Learning，2017年；Reaver，2022年），通常還需要臨時性的設計靈感來進行討論（Kang等人，2013年）。這一過程需要多個利益相關者之間的有效溝通，包括設計師、開發商、投資者和市政部門（Sa?mannshausen等人，2021年）。然而，傳統的城市規劃方法往往過于專業化，技術門檻較高（例如AutoCAD、Sketchup等工具）（Rohil和Ashok，2022年），這阻礙了沒有設計技能的利益相關者的參與（Imottesjo和Kain，2022年；Wang和Lin，2023年）。此外，現有的方法在展示、討論和修改設計方案時也缺乏直觀性和實時交互性，導致溝通效率低下，修訂和反饋過程漫長，進一步增加了時間成本（Kunze等人，2012年）。學術研究表明，在復雜的決策環境中，直觀和實時的可視化方法可以顯著提高解決方案討論的效率和決策的準確性（Dan等人，2021年；Othengrafen等人，2023年）。因此，構建一種易于使用且直觀的混合現實（MR）城市規劃設計方法可以顯著提高設計和溝通的效率，對總體規劃階段大有幫助（Davila Delgado等人，2020年；Szczepańska等人，2021年）。
盡管AutoCAD、SketchUp和BIM（建筑信息模型）具有專業的高精度測量、建模和設計效果（Stark等人，2010年），但它們通常基于異步工作模式（Shen等人，2010年），設計師、開發商、投資者和其他利益相關者需要通過文件共享或云同步來進行修改和反饋。這種方法可能導致溝通延遲或信息不對稱，尤其是在復雜的城市規劃項目中，由于溝通不暢，不同利益相關者的意見容易產生誤解。此外，傳統的工具如AutoCAD和BIM可以執行三維（3D）建模，但它們仍然在二維（2D）屏幕上呈現3D視覺效果，這與真實的空間體驗相去甚遠（Boos等人，2023年；Rohil和Ashok，2022年；Skov等人，2013年）。
當用戶在二維屏幕上設計和評估三維建筑之間的關系時，很難獲得建筑物在真實環境中的空間感和比例感。另一方面，混合現實技術正被用作人機交互（HCI）中CAD的新興替代方案（Wolf等人，2020年），使用戶能夠更清晰地感知3D模型，在大多數情況下，以自由自然的方式操作，通過在3D空間中移動手來進行輸入（Arroyave-Tobón等人，2015年）。MR方法可以參與設計討論，觀察修改效果，并通過實時3D可視化和交互提供反饋，減少反饋過程中的延遲。
然而，并非所有的MR設計方法都能實現良好的設計效果和自然交互。構建靈活、高度適用且易于操作的MR設計方法是一個挑戰（Ernst等人，2021年；Feiner等人，1995年；Ishii等人，2002年；Wang等人，2018年；Wang，2009年）。當前的現場設計方法基于少量且不變的預定義模型，所提供的操作也有限（Arroyave-Tobón等人，2015年；Dan等人，2021年）。有時它們不適用于多種復雜的用途場景，缺乏靈活性和多樣性。因此，我們致力于開發一種名為UPDesign的方法，使任何參與城市規劃討論的人都能通過手勢和語音交互快速直觀地創建虛擬規劃概念。它允許用戶快速構建、草圖繪制、操作和重塑混合現實中的空間元素，同時提供實時交互的可能性。
基于本研究的重點，提出了以下研究問題（RQ）：混合現實如何在城市規劃背景下增強早期溝通和概念設計表達（Dalim等人，2016年）。本研究重點關注總體規劃階段，強調規劃概念的直觀表達和早期討論中的一致性形成。本研究的目標用戶包括所有參與規劃概念溝通和探索的人，包括接受過系統城市規劃培訓的專業人士，以及沒有接受過正式規劃或設計培訓但在實際規劃討論和決策過程中發揮作用的非專業參與者，如市政代表、開發商、政策制定者或管理人員。在用戶招募階段，研究區分了具有專業和非專業背景的參與者，但該方法本身的交互和表達機制并不依賴于用戶是否具有特定的學術背景或專業設計培訓。相反，它利用MR技術支持不同專業角色的參與者在現實世界場景中進行概念化。其目標是提高設計表達和溝通的效率，而不是進行精確的城市建模。
在本研究中，UPDesign支持直觀便捷的概念城市設計和展示。該方法通過引入變形、部分復制和表面設計功能，擴展了傳統的3D操作，使用戶能夠在混合現實環境中更有效地表達自己。這些功能集成在一個環境中，允許用戶實時編輯和可視化設計，而無需在不同工具之間切換。此外，UPDesign還包括一個自由形式的草圖模塊，用于補充想法和注釋討論，為表達和細化規劃概念提供了新的交互范式。本研究的主要貢獻如下：
•基于傳統的3D操作，引入了變形、部分復制和表面設計等交互操作，以擴展和增強用戶在混合現實環境中的表達能力。
•實現了UPDesign的概念驗證，這是一種基于混合現實的方法，允許用戶在現場放置、調整和編輯模型，并補充演示。
•通過進行可用性測試，我們對MR技術在城市規劃和設計中的應用進行了實證研究，探討了不同交互模式對用戶體驗的影響，不同專業背景的用戶之間的性能差異，以及用戶主觀體驗與客觀任務表現之間的相關性。
相關研究
相關工作
綜合了多個研究方向，UPDesign整合了混合現實制造和設計、城市規劃混合現實工具、多模態交互和3D對象操作技術。因此，有許多先前的工作對本文的特定方面非常重要。方法論
本研究采用以用戶為中心的設計方法，探討了上述研究問題。這一研究過程主要包括三個階段：問題調查與分析、方法設計與概念驗證、以及可用性測試。方法設計與概念驗證
在本研究的實際實施基礎上，本節介紹了方法設計與概念驗證過程，詳細說明了所提出方法的發展和完善過程，以確保與研究目標的一致性。評估
在實驗室中模擬城市規劃和設計的過程中，我們邀請了25名參與者參與研究。根據我們的研究目標，我們從三個方面評估了MR方法在改善城市規劃和設計體驗方面的有效性：效率、效果以及通過可用性研究、問卷調查和訪談獲得的主觀滿意度。結果與討論
與本研究的核心目標一致，本節闡述了結果和討論，分析了發現，揭示了重要的趨勢、解釋和含義，進一步加深了對研究目標的理解。結論與未來工作
本研究強調了混合現實在城市規劃中的作用，表明UPDesign通過手勢和語音輸入實現了實時可視化和現場設計，推動了方法論和實踐的發展。該方法允許用戶直觀地設計、編輯和展示總體規劃場景中的預定義3D城市組件，顯著提高了設計效率和表現力。此外，對于缺乏建模經驗的非專業人士，UPDesign提供了CRediT作者貢獻聲明
Jin Bai：撰寫——原始草稿、可視化、驗證、軟件、資源、項目管理、方法論、調查、正式分析、數據整理、概念化。Mohd Shahrizal Sunar：撰寫——審閱與編輯、驗證、監督、概念化。Norhaida Mohd Suaib：撰寫——審閱與編輯、驗證、監督、概念化。
