CN115690331B - 一种收集公众意见的城市设计实体互动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种收集公众意见的城市设计实体互动系统及方法，该系统包括：若干电子积木，每个所述电子积木具有使其可堆叠的上下表面，上下表面分别设置有通信接口，能够与所述上下表面接触的对象通信，每个所述电子积木内还设置有用于存储和传递信息的单片机；底座，包括多个地块，每个所述地块上设置有通信接口，所述电子积木放置在所述地块上，所述地块收集其上搭载的所述电子积木的信息并汇总输出至计算机；信息加载区，包括积木读写装置、用户输入设备和显示设备，用于对电子积木内储存的信息进行读取和写入。本发明解决了当前实体交互装置局限于二维平面创作，或局限于预设模块，拓展性和自定义性低，且无法自主设计高度的技术问题。

Description

一种收集公众意见的城市设计实体互动系统及方法

技术领域

本发明涉及城市设计公众参与中的交互系统领域，尤其涉及一种收集公众意见的城市设计实体互动系统及方法。

背景技术

在公众参与的城市设计中，公众的需求和专业人士的设计方案之间存在不匹配的情况，很多学者认为这是因为公众缺乏设计及规划方面的专业知识而且不会使用专业软件，所以公众很难准确地理解专业设计文件，也很难清晰地表达自己的设计意图。因此，学者研发出了城市设计互动交互装置以方便准确地收集公众的意见。

然而，目前已有的城市设计实体用户交互装置，模型可编辑程度非常低，大部分情况下，现有的方案都只能呈现出有限种类的用地组合方案。

在建筑物高度方面，现有的城市设计交互装置都不允许用户自由地编辑建筑层数，做得最完善的麻省理工媒体实验室media lab 2017年的作品“City matrix”项目也仅允许用户在有限个数的选项（高层、中层、低层）中进行建筑层数选择。这是因为它们都是基于图像识别技术实现的方案，这个技术实现过程比较简单，技术目前已经非常成熟，因此方案的硬件成本不会太高。但这使得它们的实体模型中不能存在堆叠以及遮挡的情况，否则就无法读取实体模型上光学标签，进行信息识别。

在用地类型方面，这三个方案都不允许用户自定义每个地块的用地类型构成：在“City matrix”和深圳城市规划馆中的“创造你的城市”城市设计互动装置中，无法自定义用地类型；麻省理工media lab 2013年“城市设计用户界面”中尽管存在建筑功能混合的情况出现，但都是该作者预先定义好的用户无法自定义。

在学习难度方面，“创造你的城市”和“城市设计用户界面”中使用的实体模型都是具象的，在“City matrix”中使用的实体模型则是统一大小的乐高白色积木块，用户需要使用乐高积木块完成总平面设计，然后在屏幕中查看电子模型。由于缺乏从二维图像联想三维空间模型的训练，这对于没有建筑规划经验的公众而言是一个挑战，他们可能需要更多的时间才能理解平面图与三维模型之间的联系。

在可扩展性方面，要在实际的公众参与中发挥出实体交互系统的能力，就需要其拥有能快速迭代、增加用地类型的能力，才能表达出实际城市中复杂而繁多的用地类型信息。但是，这三个方案都不方便扩展用地类型的种类：比如“创造你的城市”和“城市设计用户界面”：一方面，需要定制很多同款的预设实体模型，否则在使用时就会限制方案的可能性；另一方面，每次新增一个用地类型或建筑都不仅仅需要在三维模型上设计新的外观，还需要定制一款新的实体模型。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种收集公众意见的城市设计实体互动系统及方法，解决了当前实体交互装置局限于二维平面创作，或局限于预设模块，拓展性和自定义性低，且无法自主设计高度的技术问题，实现基础模块可堆叠，可自定义建筑高度及建筑类型，且易于交互的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种收集公众意见的城市设计实体互动系统，包括：

若干电子积木，每个所述电子积木具有使其可堆叠的上下表面，所述上下表面分别设置有通信接口，能够与所述上下表面接触的对象通信，每个所述电子积木内还设置有用于存储和传递信息的单片机和用于表示所述单片机内存储的信息的灯光部件；

底座，包括输出按钮和多个地块，每个所述地块上设置有通信接口，所述电子积木放置在所述地块上，按下输出按钮后，所述地块收集其上搭载的所述电子积木的信息并汇总输出至计算机；

信息加载区，包括积木读写装置、用户输入设备和显示设备，用于对电子积木内储存的信息进行读取和写入。

进一步地，所述灯光部件通过显示不同颜色表示其所在的所述电子积木内存储的信息。

进一步地，所述地块为网格电路板，每个所述网格电路板上设置有用于提示故障的故障指示灯，所述底座内还包含网格主控板，所述网格主控板上设置有输出按钮，当按下所述输出按钮时，所述网格主控板对所述网格电路板采集的信息进行汇总并输出至计算机。

进一步地，还包括：

显示器，与所述计算机连接，用于显示所述底座上的规划情况；

摄像头，与所述计算机连接，用于采集用户照片。

进一步地，所述通信接口为磁吸式通信接口。

一种收集公众意见的城市设计实体互动方法，基于上述收集公众意见的城市设计实体互动系统，包括以下步骤：

S1：设定信息，通过所述积木读写装置读取用户放置在该装置上的电子积木内存储的信息，并显示在所述显示设备上，然后接收用户通过所述用户输入设备输入的信息并将其通过所述积木读写装置写入该积木，并在所述显示设备上提示写入成功，所述灯光部件显示不同颜色来表示该积木中存储的信息；

S2：接收设计，在检测到所述输出按钮被按下后，通过所述底座收集所有所述地块上所述电子积木的信息并汇总输出至计算机，进行建模以及数据分析。

进一步地，还包括：

S3：模型展示，将步骤S2中生成的建模通过与计算机连接的显示器展示给用户，展示形式为与用户搭建的电子积木相同的三维模型形式，或根据用户搭建的电子积木的信息进行进一步渲染得到的具有真实效果与材质的数字孪生城市模型的形式。

进一步地，步骤S3中，还可以接收用户通过交互设备输入的操作数据，实时更新建模的显示，并将该建模的各项数据以视图方式显示在显示器上，从而使用户能够通过交互设备操作在建模中漫游，或与模型进行互动，增减街道上的元素、调整光影效果。

进一步地，还包括：

S4：成果输出，在显示器上指引用户拍照，并通过摄像头获取用户照片，然后生成所述用户照片与建模的合成图片，并在显示器上显示。

进一步地，步骤S4中，获取到用户照片后，使用云服务器识别提取所述用户照片中的人脸特征信息，并将所述人脸特征信息与该用户的建模数据匹配并存储在数据库中。

进一步地，步骤S4中，在生成所述合成图片后，在显示器上显示下载方式，所述下载方式为链接或二维码。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种收集公众意见的城市设计实体互动系统，通过设计可堆叠的电子积木作为基础模块，并设置可获取电子积木堆叠情况的底座，实现建筑高度可根据堆叠电子积木方便用户自定义的效果，并且设置信息加载区，使用户能够对电子积木代表的建筑类型进行自定义，大大提高了建筑规划的灵活性和可拓展性。

在一些实施例中，本发明提供一种收集公众意见的城市设计实体互动方法，通过将电子积木的堆叠情况转换为直观可视的建模，提升观众互动体验。

在一些实施例中，本发明的方法通过摄像头采集用户人脸信息并进行信息提取并存入数据库，使得城市规划者可以通过本互动装置获取不同人群的设计偏好，提高城市规划效率和公众满意度。

附图说明

图1 是本发明实施例中电路整体设计示意图；

图2 是本发明实施例中积木电路拓扑示意图；

图3 是本发明实施例中网格电路板拓扑示意图；

图4 是本发明实施例中Pyton中数据处理路径图；

图5 是本发明实施例中Grasshopper数据处理路径图；

图6 是本发明实施例中用户交互方案示意图。

具体实施方式

为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一个数据颗粒度更高的城市设计互动系统，应该允许用户对用地的功能及其垂直位置和建筑高度进行编辑。因此，相比起现有的仅能在二维平面上创作的实体交互装置，新的城市设计交互装置应该考虑允许堆叠实体模型的互动方式存在，这可以提高数字孪生的程度也能降低公众的学习成本。

本发明使用“单片机法”：单片机是单个金属氧化物半导体集成电路芯片上的小型计算机，一个微控制器包含一个或多个CPU（处理器核心）以及内存和可编程的输入/输出外设，在功能上相当于一个小的计算机。

在每个积木内部安装一个单片机，在底座上每个“地块”布置一个单片机，单片机之间通过集成电路互联总线模块（简称IIC）进行板内通讯，从而实现底部单片机感知上层每个积木的单片机中带有的用地类型信息，达到感知每个位置的建筑物功能及其所处位置和建筑物总高度的目标。使用单片机实现的方案数据精度非常高，便于日后对用户数据进行深度分析；不需要多设备联动就能同时获取用地类型信息以及高度，整体系统简洁。

对比现有的城市设计用户交互系统，本系统的创新点在于以下几点：其一，现有的系统智能对模型的用地类型进行选择与编辑，本交互系统除了能对用地类型进行编辑，还可以对建筑物高度进行编辑；其二，现有的城市设计交互系统都是基于图像识别技术或近场通讯技术实现的，本方案开首创将集成电路技术运用到交互系统设计中；其三，相较于以往的城市设计交互系统，本方案能收集高精度及高颗粒度的数据，并将数据储存于云端数据库中；其四，本方案开创性地加入了人脸识别技术用于用户数据的收集与用户画像的建立，能更精准地定位到不同人群的需求与喜好，能帮助建筑师打造“以人为本”的设计。

下面以本发明的一种具体实施方式说明本发明的技术方案。

1.1硬件方案

底座是用户堆叠电子积木的区域，它读取并传递该区域电子积木中储存的信息。底座是由100块单片机组成的10×10网络，由外部12V/2A的直流电源供电。性能上，底座芯片具有一定的稳定性，有灯光作为提示故障区域易进行更换维修；当按下输出按钮，可以输出每个底盘网格上的积木层叠状态并进行数据的结构化汇总。简单而言，底座中一个芯片代表一个地块，当其上方堆叠电子积木时，就相当于地块上面建有建筑，在这个过程中，电子积木所代表的建筑楼层将其功能信息映射的编码传递到底部的单片机中，由底座芯片进行汇总输出。输出的数据使用有线连接方式通过USB串口连接到用户计算机上，安装串口驱动后可以通过串口通信软件(如Putty、CoolTerm、Minicom等)或Python Serial库读取数据。

信息加载区外形上类似于日常使用电脑键盘上的数字小键盘，包含积木读取区、液晶显示屏和数字小键盘，用于电子积木的信息读写。将电子积木放置在读取区，液晶屏上会加载显示积木的数据(ID)，通过键盘输入操作序号进行重新写入信息，按下“#”键结束输入并开始写入数据。写入成功后，积木的 LED灯颜色刷新。

电子积木由外壳和芯片两个部分组成。外壳为5cm×5cm×3cm(厚度2-3mm)白色3D打印模型。芯片支持数据写入，芯片上设置有通过颜色根据写入积木的数据不同而变化的LED灯；上下两面各有一个磁吸式通信接口(POGO PIN)，用于上下层积木的供电及通信，从而确定积木的层间关系（如图2）。其中，LED灯可以是单个RGB LED灯，通过显示不同颜色指示不同数据，也可以是多个不同颜色的LED灯，通过点亮不同颜色指示不同数据，在本实施例中，选用RGB LED灯作为指示灯。

本系统还包括与计算机连接的显示器，用于显示用户交互界面及底座上的规划情况；以及与计算机连接的摄像头，用于采集用户照片，供后续特征信息提取功能使用。

1.1.1电路总体设计

在本实施例中，电路系统包含积木电路板、网格电路板、网格主控板和读写操作面板等几个主要部分，其模块间的供电和通信拓扑结构如图1所示。整个系统由统一的12V直流电源输入，给所有的设备进行供电。每块积木的上下部各有一个磁吸式串行通信接口，通过IIC中的GND及VCC通电后可以通过此接口将数据通过SDA、SCL向下传输至网格电路板；每个网格电路板通过板载的拨码开关进行编址，然后通过IIC总线将积木堆叠数据传输至网格主控板；网格主控板通过USB串口连接至电脑，在电脑端打开串口连接后，按下主控板的发送按键，所有网格的积木堆叠数据就会以结构化的形式发送至电脑的串口终端上。

1.1.2 积木电路板

在本实施例中，积木电路板（如图2）的硬件构成包含HC32L110C6PA微控制器芯片、RGB LED、磁吸通信接口、电源模块和调试接口等部分，其中各部分的作用如下：HC32L110C6PA是一款基于ARM Cortex-M0+内核的微控制器芯片，具有多路UART、IIC等丰富的通讯外设，支持硬件PWM(脉冲宽度调制)功能，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和超低功耗的特点，是积木电路板的控制核心。RGB LED具有三个红光、绿光、蓝光三个通道，通过微控制器对每个通道输出不同占空比的PWM电压即可控制每个通道的亮度，从而实现调色功能。上下两个磁吸通信接口分别连接到微控制器的两个UART(通用异步收发器)串行通信接口上，分别用于接收上方的数据和向下发送数据。电源模块将12V的电压转换至3.3V给微控制器芯片进行供电。调试接口用于向微控制器烧写和调试固件程序。

1.1.3 网格电路板

在本实施例中，网格电路板（如图3）的硬件构成包含HC32L110C6PA微控制器芯片、RGB LED、磁吸通信接口、8位拨码开关、IIC总线接口、电源模块、调试接口等部分，其中各部分的作用如下：

HC32L110C6PA是一款基于ARM Cortex-M0+内核的微控制器芯片，是网格电路板的控制核心，安装于其上的RGB LED在网格电路板上仅用于输出白光，作为系统正常工作的体现，方便安装使用时排查电路断路等错误。磁吸通信接口用于接收来自网格上方的积木电路板发送的堆叠数据。IIC总线接口用于将所有的网格电路板和网格主控板连接到同一个IIC通信总线上，从而让网格主控板可以访问读取所有网格电路板的数据。8位拨码开关用于为网格电路板编址，用于在IIC总线上识别不同的网格电路板。电源模块将12V的电压转换成3.3V给微控制器芯片进行供电。调试接口用于向微控制器烧写和调试固件程序。

1.1.4 网格主控板

在本实施例中，网格主控板由一块基于STM32L476微控制器芯片的Necleo-64开发板和一个外置按键组成。网格主控板通过板载的IIC总线接口连接到所有的网格电路板。当用户按下外置按键时，触发一个中断信号，主控板接收到中断信号后，开始通过IIC总线向地址1到地址100的网格进行逐个查询，从而读取到每个网格上方的积木堆叠数据，然后通过板载的USB接口将结构化的堆叠数据发送到电脑上。

1.1.5 读写操作面板

在本实施例中，读写操作面板由一块基于ATMEGA328P芯片的Arduino UNO开发板、4×4数字键盘、OLED显示屏和磁吸通信接口组成，面板通过磁吸接口读取放置之上的电子积木的信息然后显示到OLED显示屏上，用户可以通过数字键盘键入新的数字代码并写入到电子积木中，如此新的用地类型信息就能写入到电子积木中。

1.2软件方案

1.2.1 用户交互界面研发

用户通过在实验台上堆叠实体的电子积木完成城市设计过程中，在前方的垂直屏幕中会随着过程的推进显示不同的用户引导信息以及三维模型。在屏幕上展示的用户交互元素由两部分组成，位于左侧的是三维模型渲染的展示窗口，位于界面右侧的是用户引导窗口。

在功能方面，引导窗口起到指导与提示用户操作的作用，通过简单易懂的分析图告诉用户每一步的操作要点，加速新手用户学习过程。引导窗口一共展示12个画面，分别为首页、电子积木使用教程、3D城市模型查看、街景元素编辑、不同分析报告的展示、引导拍照、拍照、下载报告以及最后的致谢画面等。此系列画面覆盖所有用户基础操作。而该用户引导窗口是通过给定的时间、以及用户操作过程中向后台传递的信号触发不同引导界面的展示。比如说，首页设置展示时间是5秒，如果用户想快速进入下一个页面的话也可以通过按快进按钮触发下一个页面的展示。而在电子积木使用教程中，当用户完成电子积木的堆砌并按下底座上的输出按钮后，就会触发下一个页面“城市漫游”引导界面的展示，但是若用户迟迟未按下输出按钮，系统设置了默认3分钟后，无论用户是否有操作都会进入下一个页面，以提醒用户推进互动过程。

位于画面右侧的三维模型渲染窗口，支持用户查看对应积木的城市设计的数字孪生三维模型。用户可以通过操控游戏手柄上的摇杆，多角度观察模型。之后，用户可以进入街景模式，体验在自己设计的城市中漫步的乐趣。

1.2.2 三维建模与渲染

电子积木可以设置的功能类型为住宅建筑、办公建筑、公共建筑及绿地。初代产品中仅设置这四个功能类型原因如下：首先，住宅建筑、办公建筑和提供公共服务的建筑（比如学校和医院）是现代城市建筑功能的主要构成部分；其次，增加太多建筑类型会增加新手用户的学习成本。

电子模型的规格为5厘米*5厘米*3厘米的3D打印模型，按照1:600比例代表现实中30*30*15米的空间大小。考虑到退距以及建筑间距的规范需求，每个电子模型基于其摆放位置的不同，代表20米*20米及25米*25米的平面面积。另外，考虑到不同类型建筑层高的区别，模型设计上一个电子积木代表15米高的空间，对应5层住宅建筑、3层办公建筑和4层公共建筑。

建筑模块的对应电脑模型采取三段式的设计思路，一层到三层为裙房，中间层是重复的立面，顶部是天台及电梯机房和设备间。因此，针对每个建筑类型，需要为其设计底层、中间层、顶层三个预设立面模块。

对没有放置电子积木的“地块”，使用Python清洗数据的时候会标记为道路，并根据建模的情况判断其道路走向及交界。道路上预设了车道白线、路边绿化、自行车道以及随机出现的小汽车和自行车代理模型。

1.2.3 模拟街景漫游

街景漫游功能分为两个阶段。第一阶段，在用户完成积木的搭建并按下底座上的输出按钮后，用户能从面前的垂直屏幕中看到，与实体积木一模一样的三维电子模型的鸟瞰透视图。此时用户可以通过操作游戏手柄，多角度观察这个模型。接下来，用户可以通过操控手柄进入第二阶段——街景模式。在街景模式中，用户能够从第一人称视角体验在自己设计的街区漫步的感觉。此时，在用户眼前呈现的不是彩色的方块积木模型，而是具有真实材质、富有真实感的城市街道建模。用户能看到不同造型的楼宇，街道上有熙熙攘攘的人流、川流不息的汽车、随风摇曳的行道树、道路两旁的单车径以及骑行的人等等。这些元素，对于没有城市设计或建筑经验的普罗大众而言，可以让他们更快地身临其境地体验自己的设计作品。另外有游戏经验的用户也可以通过控制手柄进入飞行模式从天空或者是高层中感受自己的城市设计作品，通过这样趣味的交互体验，能提高他们对参与社区决策的积极性。

1.2.4 互动功能

在城市滤镜这个互动功能中，用户可以添加或减少道路上的元素，如车辆、行人、时间等。通过城市滤镜功能，用户能快速地感受到街道上这些常见元素的增加或减少对街道环境的影响。目前城市滤镜功能支持用户添加或删除车辆、单车径、行道树以及自由调整太阳时间。通过上述元素的排列组合，可以看出街道在昼夜、高峰及非高峰情况下的变化。用户做出这些更改之后，依旧能使用手柄操作，以第一人称体验在城市中漫步的感觉。

另外一个互动功能是空间识别，它支持用户查看与自己设计的空间类似的城市实景，并进行对比。此功能仅在用户摆放出一些和现实城市中空间品质比较好的空间类似的设计的时候会触发。此时屏幕上提示框中会弹出用户在对应坐标位置做的设计，并且展示出类似空间的街景图。如此，没有专业经验的用户路过这些地方的时候，就会认识到他们所生活的城市中的这些空间在专业人士眼里是高品质的城市空间。

这样做的好处在于，对于一般用户而言，他们难以从鸟瞰图了解城市空间的关系与品质。但若有真实街景图片辅助，他们能更直观地感受到使用这样的城市空间。如此，能引导公众理解城市空间，也让公众明白在专业人士眼中好的城市设计是怎样的，从而发挥公众参与教育公众、缩小认知差距的作用。

1.2.5 可视化图表及分析报告

可视化的图表是通过使用python进行数据处理生成的，这个过程中调用了numpy（Python的一种开源的数值计算扩展）以及matplotlib（ Python 的 一种2D绘图库）进行图表的绘制。从垂直屏幕右侧的用户提示区中，用户可以查看自己设计的街区的多种可视化图表，从数据的角度了解自己的作品，从而做出下一步的优化。

1.3 用户数据与用户画像

1.3.1 用户数据记录的意义及方案

记录不同人群，比如不同年龄层、性别用户设计出的城市设计方案的数据，可以帮助建筑师、规划师推敲设计，在为某类人群做设计的时候能更加有针对性。比如说，假设数据分析显示，20～30岁群体的用户偏向使用积木中堆叠出高层建筑而现空中花园的面积较高，可以解读为该群体喜好高密度的生活空间，且其中绿化水平高的住宅综合体。在规划、设计对应目标人群的居住产品时，就可以作为参考。总而言之，记录市民的意见及数据可以帮助设计师推进设计方案，而更好的设计方案则能更好服务市民，形成良性循环。

本方案作的优势在于能高效地收集到用户的喜好数据，为进一步的决策提供依据。一个完整用户画像的建立基于两个方面，一个是行为数据，另一个是用户的属性数据。

用户的行为数据可以通过记录用户与本系统的交互行为、以及交互系统中的用户日志文档中获取，而收集用户的属性数据，最普遍的方法是使用问卷调查。因此，可以在用户体验完本交互系统做城市设计之后，邀请用户填写与基本信息有关的问卷，从而获取用户的年龄、性别等基础信息。但考虑到用户对于填写信息时出于对自身隐私的保护，会刻意填写错误的信息，或者不认真对待、虚构信息，最终导致后期分析时无效信息干扰分析结果，因此放弃了让用户主动上报信息的方案。

为了能让用户在自愿的情况下提供正确的信息，此处考虑到使用人脸识别技术。目前，国内的人面特征提取技术已经非常成熟，市面上的人脸识别产品甚至能达到99%以上的精确度。因此，此处考虑使用获取用户照片，然后通过人脸识别及特征提取技术，获取用户如年龄、性别等基本信息。

参考前文提及的CityMatrix城市设计交互系统的案例中的城市设计评分方案，结合人脸识别技术，可以将收集用户人脸信息的过程设计为一个对于用户设计方案的评分榜。也就是说，在用户完成设计，在后台根据城市设计、空间质量相关的评价标准，对该区域的空间品质做评分，并反馈给用户，然后引导用户拍照以查看其分数与其他用户分数的排名。如果启用此方案，无疑能有效地激起用户的求胜心，从而提升他们对使用本系统进行城市设计以及留下照片的积极性。但这样的做法有违本方案的初衷。本方案作为一个收集公众意见的媒介，为用户的设计及意见评分或者刻意地引导用户朝着某一个结果做出调整，会让用户本来的想法、意见失真，从而不能起到收集公众意见的作用。

最终决定使用的方案是：通过引导用户下载用户与自己设计的作品合照来实现收集用户人脸数据。过程如下：在用户体验街景漫游功能时，引导用户选择合适的角度输出街景图片，接下来引导用户拍照。通过后台使用OpenCV（一个基于Apache2.0许可（开源）发行的跨平台计算机视觉和机器学习软件库）合成用户照片与街景图片，使用flask（一个使用Python 编写的轻量级 Web 应用框架）将图片文件上传到云端服务器，调用qrcode（一种矩阵二维码）实现用户扫描屏幕上的二维码即可下载合成的图片报告。为了让这样的图片报告增加用户独特的印记，报告上将显示用户使用最多的建筑功能，输出其设计的面积方案，并为该用户贴上趣味标签。这样的报告显然趣味性大于实用性，但正是这样免费赠予用户一个趣味报告作为参与城市设计活动的纪念品，可以增加用户对参与城市设计的热情。同时这样的报告也可用于在社交媒体与亲友分享，从而吸引更多市民对公众参与的关注。

1.3.2 数据处理及用户画像

获得用户的脸部照片之后，使用腾讯云提供的人脸检测与分析服务，进行人脸数据挖掘。通过输入用户照片，返回用户的年龄、性别、表情、是否佩戴眼镜等结果。选取返回值中的年龄及性别分析数据作为用户属性数据，加上用户在使用交互设计系统时的行为数据，构建一个初步的用户画像数据库。

1.4 数据系统搭建

1.4.1 数据的来源及处理

整个交互系统的数据输入源一共有两个，一个是底座，另一个是相机。

底座的数据来源于电子积木。电子积木单片机中存储用地类型的对应号码（比如2代表住宅建筑，3代表办公建筑），电子积木堆叠后，堆叠的单片机中储存的用地类型信息从上而下传递，到达带有编码的底座单片机中。一个底座单片机代表一个地块。主控板将100个底座单片机的信息汇总（相当于将100个地块的信息汇总），传输到电脑中。信息到达电脑之后，使用Python中的pyserial(python3版本以上涉及串行端口访问的应用均使用pyserial库,不需要serial库)读取数据并转化为内容为100个小列表的大列表。小列表按给定顺序排列，每个小列表中存储固定某个底座单片机中获得的信息。比如大列表中第一个小列表代表1号底座单片机（即1号地块）中的电子积木信息（建筑功能）。小列表中从首到尾，代表建筑中每层的功能信息。比如小列表中的数据为“[3,2,2]”，代表第一层建筑功能为办公建筑，第二第三层建筑功能为住宅建筑。如果该地块上没有放置积木，则返回空列表（如图4）。

接下来，对数据进行标记并传递到Rhino（一种专业3D造型软件）和Grasshopper（一款可视化编程语言）中进行建模。此处执行的操作主要是利用Python对数据进行标记，比如，小列表中包含的建筑功能信息导入的时候只能解读为“[办公建筑，住宅建筑，住宅建筑]”，此处需要对其进行标记，转化为“[首层办公建筑，中层住宅建筑，顶层住宅建筑]”，这样子才能进行下一步的建模适配。Python执行完数据的处理后，将不同模型的坐标信息导出到csv中，grasshopper通过读取csv文件中的不同预设模型坐标信息进行实时建模与渲染（如图5）。

同时，python对输入的数据进行统计及分析，利用matplotlib进行数据可视化输出。原始数据和基本分析数据以json（一种轻量级的数据交换格式）格式上传到服务器。

另外一个输入源相机向电脑输入用户脸部影像信息，信息以png图片格式储存。电脑主机接收到图片之后将其发送到云端服务器，云端服务器将其转发到提供人脸信息识别提取的腾讯云服务器，腾讯云服务器返回图片上识别到的人脸信息，云端服务器收到后通过ID与用户操作数据进行关联并储存在云端。

1.4.2 云端数据系统架设

云端服务器部署在腾讯云上，数据的存储和下载使用flask框架实现。选择flask是因为它非常轻量级，允许开发者使用很少的代码就能实现Web应用。

当用户完成摆放积木并按输出按钮之后，后台会生成对本次积木摆放的数据记录，结合初步的数据分析，以及本次操作的专属的ID（由随机种子和时间戳组成）整合在一个json格式的文件中，上传至云端服务器。当用户拍摄照片时，照片文件使用专属ID作为文件前缀名保存，然后上传到云端服务器，并将其发送到进行人脸识别特征提取的服务器地址。人脸识别服务器进行人脸特征提取等工作后，返回图片文件名、人脸识别出的年龄和性别等信息到云端服务器，通过图片文件名中的专属ID进行数据关联。

1.5用户交互方案

如图6所示，基于使用单片机法的技术方案，设计了如下用户交互步骤：

第一步是了解系统使用方法：用户需要通过阅读说明文件或观看屏幕上展示的提示教程了解基本操作方法以及禁忌。

第二步是设定信息：用户需要将电子积木放置于信息加载区，数字键盘上方的屏幕中会出原积木中已存有的数字信息，同时积木中LED灯会显示对应的颜色。在数字键盘中输入对应用地的编号，积木灯光颜色会变成新的编号对应的灯光，提示写入成功。

第三步是进行设计：这个步骤通过堆叠电子积木进行，在用户完成方案之后，点击底座上的输出按钮，数据就能自动传输到电脑，进行建模以及数据分析等操作。

第四步是反馈与分析：用户通过游戏手柄与三维电脑模型进行互动。在这个环节，用户首先能从面前垂直屏幕中看到的是与现实中堆叠的电子积木一模一样的三维模型。接下来他们通过按照指示操纵游戏手柄可以进行在城市街道中的漫游，此时呈现在他们面前的不再是彩色积木的三维模型，而是具有真实效果与材质的数字孪生城市模型。同时，用户也可以和模型进行互动，比如增减街道上的元素、调整光阴效果等。在用户进行“街景漫游”的同时，垂直屏幕中也会显示本方案的数据透视图，例如：总平面图、热力图、碳排放分析图等等，帮助用户了解自己设计方案的性能数据。

第五步是分享成果：用户会在屏幕上出现的指引的引导下完成拍照，接下来将生成一张用户照片与其设计方案的合成图片并附有简单的方案数据报告，用户可以通过屏幕下方显示的二维码下载图片与朋友分享自己的设计成果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例” 和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。

必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种收集公众意见的城市设计实体互动系统，其特征在于，包括：

若干电子积木，每个所述电子积木具有使其可堆叠的上下表面，所述上下表面分别设置有通信接口，能够与所述上下表面接触的对象通信，每个所述电子积木内还设置有用于存储和传递信息的单片机和用于表示所述单片机内存储的信息的灯光部件；

底座，包括输出按钮和多个地块，每个所述地块上设置有通信接口，所述电子积木放置在所述地块上，按下输出按钮后，所述地块收集其上搭载的所述电子积木的信息并汇总输出至计算机，其中，所述地块为网格电路板，每个所述网格电路板上设置有用于提示故障的故障指示灯，所述底座内还包含网格主控板，所述网格主控板上设置有输出按钮，当按下所述输出按钮时，所述网格主控板对所述网格电路板采集的信息进行汇总并输出至计算机；

信息加载区，包括积木读写装置、用户输入设备和显示设备，用于对电子积木内储存的信息进行读取和写入；

显示器，与所述计算机连接，用于显示所述底座上的规划情况；

摄像头，与所述计算机连接，用于采集用户照片。

2.根据权利要求1所述的实体互动系统，其特征在于，所述灯光部件通过显示不同颜色表示其所在的所述电子积木内存储的信息。

3.根据权利要求1所述的实体互动系统，其特征在于，所述通信接口为磁吸式通信接口。

4.一种收集公众意见的城市设计实体互动方法，其特征在于，基于根据权利要求1-3任一项所述的收集公众意见的城市设计实体互动系统，包括以下步骤：

S1：设定信息，通过所述积木读写装置读取用户放置在该装置上的电子积木内存储的信息，并显示在所述显示设备上，然后接收用户通过所述用户输入设备输入的信息并将其通过所述积木读写装置写入该积木，并在所述显示设备上提示写入成功，所述灯光部件显示不同颜色来表示该积木中存储的信息；

S2：接收设计，在检测到所述输出按钮被按下后，通过所述底座收集所有所述地块上所述电子积木的信息并汇总输出至计算机，进行建模以及数据分析。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

S3：模型展示，将步骤S2中生成的建模通过与计算机连接的显示器展示给用户，展示形式为与用户搭建的电子积木相同的三维模型形式，或根据用户搭建的电子积木的信息进行进一步渲染得到的具有真实效果与材质的数字孪生城市模型的形式。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3中，还可以接收用户通过交互设备输入的操作数据，实时更新建模的显示，并将该建模的各项数据以视图方式显示在显示器上，从而使用户能够通过交互设备操作在建模中漫游，或与模型进行互动，增减街道上的元素、调整光影效果。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

S4：成果输出，在显示器上指引用户拍照，并通过摄像头获取用户照片，然后生成所述用户照片与建模的合成图片，并在显示器上显示。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S4中，获取到用户照片后，使用云服务器识别提取所述用户照片中的人脸特征信息，并将所述人脸特征信息与该用户的建模数据匹配并存储在数据库中。

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