CN105913715A - 适用于建筑环境工学研究的vr可共享实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统及方法，所述实验系统包括：实验客户端，用于根据实验项目和研究方向生成带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，获取并发送实验数据，根据所述实验数据获得实验分析结果；VR实验设备，用于显示所述虚拟实验场景进行实验，并生成实验数据；数据存储共享平台，用于分类存储和共享实验数据。与现有技术相比，本发明具有可有效降低实验成本、提高研究进程等优点。

Description

适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑环境工学实验领域，尤其是涉及一种适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统及方法。

背景技术

建筑环境工学领域的研究以实验为主，环境行为学，环境心理学、人因工学等研究都属于建筑环境工学的研究范畴，是建筑循证设计方法中理论支撑的重要组成部分。此领域的核心研究目的的是：通过实验“量化建筑空间各项参数对人群空间感知的影响作用”。实验需要根据研究内容，搭建不同环境参数的实验场景，邀请被试人员进行场景体验，并将自己的感受(内容涵盖生理、心理等方面，数据采集包括主观评价、客观记录等方法)反馈给实验人员，由此量化实验场景(环境参数)对人体生理、心理、行为等方面的影响作用。因此，搭建真实可控，且具有高度还原性的实验空间是此类实验研究的核心环节。

目前，此类研究的主要的实验场景设置方法有如下几种：1.照片展示，2.影像展示，3.搭建缩尺模型，4.搭建等比例场景，5.现实场景，6.VR虚拟现实场景。

现有技术的状况及其存在缺陷如下：

1)照片展示方式的实验场景是以二维静态图像呈现，对空间及环境的还原能力有限，被试的场景沉浸感严重缺失，导致最终实验数据无法精描述被试感受。

2)影像展示方式相比照片，其优点是可以对被试施加连续的动态图像刺激，并且可以附加音频同步刺激，进而在一定程度上提升了被试在实验场景中的沉浸感。但是，场景还原依然停留在二维平面图像层面，画面无景深，且画幅有限，影响了被试的场景体验，进而导致数据失真。

3)缩尺模型展示相较于照片展示，其优点是三维呈现，有景深；但被试无法进入空间进行实际体验，因此无法准确判断其对该空间的真实感受。

4)在现实空间内搭建等比例场景的方法对场景还原度较高，因此可以获得高质量的实验数据。但是其缺陷也同样明显：场景搭建工作耗时、耗力，严重影响实验进程。同时，搭建等比例场景容易受到科研投入成本影响，难以完成整栋建筑、街区或城市尺度的实验场景。

5)在现实场景中被试可以获得最高级别的沉浸感，但其缺陷是：由于现实场景的环境参数时刻变化，研究者很难对现实场景中的各项变量进行精准控制，甚至在实验过程中会有突发变量介入。因此实验数据的噪音较大，实验性研究的基石——“可重复性”受到极大危害。

6)现阶段的虚拟现实技术(VR)与以上方法相比，把实验场景从二维图像提升到了三维空间，辅以虚拟声场和多项定位技术，理论上可以搭建出高原度的实验场景，且场景参数可控。相比照片、影像、模型等方法，被试的沉浸感获得质的飞跃。但是，目前建筑学研究领域里的VR场景搭建没有实现标准化，同类研究的不同实验团队，其搭建的虚拟场景质量参差不齐，导致实验数据无法进行横向比对，更无法根据研究内容分类汇总，形成研究数据的大数据库。这些缺陷直接导致同类实验的研究成果无法形成合力，从而极大地影响了此类研究的发展进程。

目前，由于以上实验场景搭建方法的局限性，导致同一研究课题的实验样本量受限，导致相关领域的研究进程缓慢，大多数研究还多停留在定性阶段。随着研究工作的不断深入，定量研究将逐步成为主流。定量研究要求实验必须获得大量数据样本，从而提高研究结论的精确性和可靠性。然而由于诸多因素的局限性，导致相关领域的研究存在以下问题：

1)目前学术界同领域的研究机构均各自为政，虽然存在大量的相似类型实验，但数据却无法共享，形成大数据库综合分析，进而导致各种资源的极大浪费，大大影响了实验研究的进程。

2)由于同类实验研究没有统一的环境搭建系统平台，导致实验场景没有标准化，客观上导致实验数据无法进行横向比对失去意义。

3)受人力、物力、财力、时间、被试量的局限性，每次实验能收集的数据量非常有限，严重影响了同类实验研究结论的客观一致性。

4)受目前的实验方式局限，部分环境变量的无法实现(如10000K色温的人工光环镜)。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可有效降低实验成本、提高研究进程的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，包括：

实验客户端，用于根据实验项目和研究方向生成带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，接收、存储和发送实验数据，根据所述实验数据获得实验分析结果；

VR实验设备，用于显示所述虚拟实验场景进行实验；

数据存储共享平台，用于分类存储和共享实验数据；

所述实验客户端包括：

实验场景搭建模块，用于生成带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，并将获得的虚拟实验场景发送至VR实验设备；

数据分析模块，用于根据实验数据生成实验分析结果，同时将实验数据共享至数据存储共享平台。

所述实验场景搭建模块包括：

空间编辑器，用于生成并设置虚拟实验场景的空间；

环境编辑器，用于对空间编辑器获得的空间的物理环境参数进行设置。

所述空间编辑器中，对空间的设置包括空间形态设置、三维尺度参数设置、界面形态设置、空间实体设置和/或实体材质参数设置。

所述物理环境参数包括声音环境参数、光环境参数和热工环境参数。

所述数据分析模块包括：

数据导入接口，用于获取本地实验数据；

数据共享接口，用于将本地实验数据共享至数据存储共享平台，或从数据存储共享平台下载共享的云端实验数据；

分析结果输出接口，用于根据本地实验数据或本地实验数据与同一实验项目和研究方向下的云端实验数据的整合进行分析，并输出分析结果。

所述VR实验设备为经校准的头戴式显示设备，所述校准基于被试现实场景与虚拟场景的差异评价系数的历史数据实现。

一种利用上述适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统实现的实验方法，包括以下步骤：

1)实验客户端获取设定的实验项目和研究方向；

2)实验客户端根据所述实验项目和研究方向构建带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，具体为：

a)构建虚拟实验场景的空间，并对空间进行设置；

b)设置空间的物理环境参数；

3)实验客户端与VR实验设备匹配连接，VR实验设备显示所构建的虚拟实验场景，并记录实验数据，所述实验数据包括VR实验设备体验者反馈的对虚拟实验场景的响应数据；

4)实验客户端接收实验数据并根据实验数据进行分析，并将实验数据发送至数据存储共享平台，数据存储共享平台进行实验数据的分类存储和共享。

所述步骤4)中，根据实验数据进行分析时，仅对本地实验数据进行分析，或对本地实验数据与从数据存储共享平台获取同一实验项目和研究方向下的云端实验数据的整合进行分析。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过搭建标准化虚拟实验场景，通过精确控制各项场景参数，让大样本量实验成为可能。

(2)本发明根据实验目的分类，抽象出实验的空间样式及场景参数，为被试人员提供浸入式虚拟场景(包含空间样式及场景环境参数)，研究人员可在虚拟现实中完成相关实验的场景搭建工作。

(3)本发明还提供云端数据共享平台，避免重复研究，提高研究效率，能有效将同类研究数据整合，降低研究的资源浪费，加速研究进程。

(4)本发明可有效降低实验场景的搭建费用，缩短场景搭建周期。

(5)本发明能够实现在现实环境中难以实现的场景参数(如超高色温光照刺激)。

(6)本发明能够通过改变参数，简单地控制虚拟场景中的空间样式及环境参数，从而增加实验场景变量的密度，有效提高实验数据样本量，降低研究的时间成本。

(7)本发明可以精确控制场景参数，实现实验场景标准化，大大提高实验研究的“可重复性”。

(8)VR实验设备为经校准的头戴式显示设备，能更好的模拟现实场景，减小误差。

附图说明

图1为本发明实验系统的结构原理示意图；

图2为本发明实验方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，包括软件部分和硬件部分，软件部分为实验客户端，用于根据实验项目和研究方向生成带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，接收、存储和发送实验数据，根据所述实验数据获得实验分析结果；硬件部分包括VR实验设备3和数据存储共享平台4，其中VR实验设备3用于显示虚拟实验场景进行实验，数据存储共享平台4包括数据存储服务器和无线路由器等，用于分类存储和共享实验数据。

实验客户端包括实验场景搭建模块1和数据分析模块2。实验场景搭建模块1为使用者提供迅速搭建标准化实验场景的可能性，包括用于生成并设置虚拟实验场景空间的空间编辑器11和用于对空间编辑器获得的空间的物理环境参数进行设置的环境编辑器12；空间编辑器11提供多种可变的实验空间，使用者可以根据具体需求，调整实验场景，空间编辑器11中对空间的设置包括所述空间编辑器中，对空间的设置包括空间形态设置、三维尺度参数设置、界面形态(如墙体、门窗、家具等实体)设置、空间实体(如植被、行人、交通工具等)设置、实体材质参数设置等。环境编辑器12给使用者提供环境参数(如光照刺激)，只需改变参数，便可以改变虚拟实验空间的环境参数。所述物理环境参数包括声音环境参数、光环境参数、热工环境参数等。

数据分析模块2用于获取实验数据，根据实验数据获得实验分析结果，同时将实验数据共享至数据存储共享平台。数据分析模块21包括数据导入接口、数据共享接口和分析结果输出接口，数据导入接口用于获取本地实验数据；数据共享接口用于将本地实验数据共享至数据存储共享平台，或从数据存储共享平台下载共享的云端实验数据；分析结果输出接口用于根据本地实验数据或本地实验数据与同一实验项目和研究方向下的云端实验数据的整合进行分析，并输出分析结果。通过数据导入接口进行数据导入时需要进行研究方向和数据类型的选择。数据分析模块可实现且不限于完成如语义差异量表的“高分词汇筛选”、“词汇间相关性分析”；体动仪数据与场景变量(如色温)的“相关性分析”等命令。数据分析模块21的数据分析提供两种方式：a)只分析导入数据，b)将导入数据与共享数据整合分析。使用者可以与云平台上的数据进行比对，判断实验所收集数据是否可靠，亦可以将云平台上同类研究的实验数据下载，增大样本量，得出更可靠的结论。

VR实验设备3为经校准的头戴式显示设备或体感设备，使用者带上该显示设备，进入虚拟场景，完成相关实验所要求的任务。所述校准基于被试现实场景与虚拟场景的差异评价系数的历史数据实现。通过多种系数(如眩晕感、临场感等系数)对设备进行调整，使的经过校准的设备能更好的模拟现实场景，减小误差。

如图2所示，利用上述适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统实现的实验方法，包括以下步骤：

1)实验客户端获取设定的实验项目和研究方向。

2)实验客户端根据所述实验项目和研究方向构建带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，具体为：

a)通过空间编辑器构建虚拟实验场景的空间，并对空间进行设置，如完成空间三维尺度参数的设置、门窗设置、室内家具选择、材质赋予等建模工作；

b)通过环境编辑器设置空间的物理环境参数，包括声音环境、光环境、热工环境等的设置。首先，获取研究方向(如，光环境研究、空间类型研究)，然后，设置相关研究领域的变量(如，光环镜研究，色温(3000K)、亮度(500lx)；热工环境，温度(28℃)、相对湿度(50％)；声音环境，噪音(50分贝)等)。

3)实验客户端与VR实验设备匹配连接，VR实验设备显示所构建的虚拟实验场景，并生成实验数据，所述实验数据包括VR实验设备体验者反馈的对虚拟实验场景的响应数据，包括主观、客观、生理和心理的响应数据。

4)实验客户端接收实验数据并根据实验数据进行分析，并将实验数据发送至数据存储共享平台，数据存储共享平台进行实验数据的分类存储和共享。

步骤4)中，根据实验数据进行分析时，仅对本地实验数据进行分析，或对本地实验数据与从数据存储共享平台获取同一实验项目和研究方向下的云端实验数据的整合进行交叉比对分析。

Claims (9)

1.一种适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，包括：

实验客户端，用于根据实验项目和研究方向生成带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，接收、存储和发送实验数据，根据所述实验数据获得实验分析结果；

VR实验设备，用于显示所述虚拟实验场景进行实验；

数据存储共享平台，用于分类存储和共享实验数据。

2.根据权利要求1所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，所述实验客户端包括：

实验场景搭建模块，用于生成带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，并将获得的虚拟实验场景发送至VR实验设备；

数据分析模块，用于根据实验数据生成实验分析结果，同时将实验数据共享至数据存储共享平台。

3.根据权利要求2所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，所述实验场景搭建模块包括：

空间编辑器，用于生成并设置虚拟实验场景的空间；

环境编辑器，用于对空间编辑器获得的空间的物理环境参数进行设置。

4.根据权利要求3所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，所述空间编辑器中，对空间的设置包括空间形态设置、三维尺度参数设置、界面形态设置、空间实体设置和/或实体材质参数设置。

5.根据权利要求1、2或3所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，所述物理环境参数包括声音环境参数、光环境参数和热工环境参数。

6.根据权利要求2所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，所述数据分析模块包括：

数据导入接口，用于获取本地实验数据；

数据共享接口，用于将本地实验数据共享至数据存储共享平台，或从数据存储共享平台下载共享的云端实验数据；

分析结果输出接口，用于根据本地实验数据或本地实验数据与同一实验项目和 研究方向下的云端实验数据的整合进行分析，并输出分析结果。

7.根据权利要求1所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统，其特征在于，所述VR实验设备为经校准的头戴式显示设备，所述校准基于被试现实场景与虚拟场景的差异评价系数的历史数据实现。

8.一种利用如权利要求1所述的适用于建筑环境工学研究的VR可共享实验系统实现的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)实验客户端获取设定的实验项目和研究方向；

2)实验客户端根据所述实验项目和研究方向构建带有设定的物理环境参数的虚拟实验场景，具体为：

a)构建虚拟实验场景的空间，并对空间进行设置；

b)设置空间的物理环境参数；

3)实验客户端与VR实验设备匹配连接，VR实验设备显示所构建的虚拟实验场景，并记录实验数据，所述实验数据包括VR实验设备体验者反馈的对虚拟实验场景的响应数据；

4)实验客户端接收实验数据并根据实验数据进行分析，并将实验数据发送至数据存储共享平台，数据存储共享平台进行实验数据的分类存储和共享。

9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，所述步骤4)中，根据实验数据进行分析时，仅对本地实验数据进行分析，或对本地实验数据与从数据存储共享平台获取同一实验项目和研究方向下的云端实验数据的整合进行分析。