“人机交互技术”支持下的“动态”景观设计未来

匡纬KUANG Wei

专题 / 风景园林数字化

“人机交互技术”支持下的“动态”景观设计未来

匡纬
KUANG Wei

景观系统具有复杂性及动态性特征，将人机交互技术与风景园林设计结合，为表现系统的时间性提供了可能。通过案例研究，①探讨人机交互技术运用于景观动态模拟的方法，包括将实体模型与虚拟模型结合的技术节点，实现模型-分析-反馈至模型的循环设计过程的技术路径；②解析基于人机交互的动态互动艺术装置在景观空间中的作用，一方面可增强感官体验性，另一方面也是对城市社会现象的阐释；③在此基础上，提出未来人机交互技术能对动态景观系统规律进行有效识别，并实现可视化，同时也利于景观系统动态特征的表现与创造，多学科合作是将人机交互技术运用于景观设计的主要途径。

人机交互技术；动态模拟；互动装置艺术；数字景观；编程设计；计算机辅助设计

修回日期：2016-02-04

从20世纪80年代开始，风景园林设计师们就逐渐意识并开始强调景观的“动态性”、“暂时性”等与“时间”相关的特质，试图通过设计来表现风景园林空间中的“不确定性”、“流动性”的特征。由此，风景园林设计范式发生了转变，从原有的静态的、永久性的、可预测的“对象式”设计方法，转化为处理风景园林空间 “复杂性”、“不可预测性”、“模糊性”等的面向动态系统“过程”的设计方法［1］。

风景园林设计范式的转化过程中，电子信息技术的迅速发展是主要的推动因素之一。其中，近年来，人与计算机之间的信息交互，即人机交互技术（Human-Computer Interaction，HCI）的突破起到重要作用。进入21世纪，在“普适计算”发展下，计算接口分布在人们的生活环境中，无处不在，逐渐与日常生活的物质环境融合。人与计算机之间的信息交换方式，逐渐打破传统的人-计算机-鼠标的桌面计算模式，发展出多种新型的人机交互方式。如多通道人机交互，利用人的多种感觉通道（触觉、嗅觉等输入）和动作通道（如肢体姿势等输入），以并行的方式与（可见或不可见的）计算机环境进行交互。如感知人机交互，在用户主动输入以外，计算机能利用交互上下文，智能感知用户的交互意愿和倾向，从而主动的完成操作和计算任务［2］。

近年来这些新型的人机交互技术不断受到风景园林领域研究者的关注，试图运用这些技术表现风景园林空间的时间特征及景观系统的动态发展特性，尝试运用这些技术创造新型的人与环境的动态的互动方式，使得风景园林中的时间性可表现，甚至可控、可被创造。

本文主要探讨非传统桌面模式的“人机交互技术”对动态景观设计的影响。根据国内外已有研究及实践，目前人机交互技术主要应用于两个方面：风景园林设计阶段的动态模拟及体验性动态景观交互装置设计。

1　人机交互技术支持下的风景园林设计阶段动态模拟与分析

风景园林设计阶段，基于桌面人机交互的数字模型的建模与分析技术日渐成熟，既能对模型进行静态与动态展示，同时也能针对设计模型进行三维或四维的性能分析。但是这种基于计算机屏幕的三维渲染和模拟，本质上仍是二维的表现形式，难以替代直观的基于实体模型的三维分析。传统手工模型在风景园林设计中起到重要作用，哈格里夫斯的作品极具代表性，运用沙与粘土制作模型，与雕塑家合作，实现了多样的复杂的地形空间。然而手工模型制作复杂，不易修改，缺乏人体参数，也难以表达环境的动态特征。手工模型难以与场地分析结合，在分析与形态生成过程中，需要多次的工具转换，因而也难以在设计中高效使用。

基于设计师的需求，研究者着眼于使虚拟模型具备三维体验的功能，增强人们的直观感受，其中研究最为广泛的是虚拟现实在风景园林设计中的运用。基于多通道、多媒介人机交互技术的虚拟现实作为表现工具，借助于特制手套、眼镜、数据衣等传感设备，充分利用观看者头部、眼部等来进行交互，使观看者沉浸于具有视、听、触、嗅等多感知能力的模型，模型可表现水体流动、四季变化等时间特征，设计师及相关人员通过观看三维虚拟模型，提升对设计的主观认识。在此基础上，研究者还试图将虚拟模型与GIS等分析软件结合，将地形、空气流动、光照、水文条件等分析结果反馈至虚拟模型中，实现了分析-虚拟模型间的三维实时交互。

伴随软硬件、传感器等技术进步，研究者开始利用交互技术，将实体模型与虚拟模型结合起来，发挥两者优势，实现对环境过程的模拟。

1.1“照亮的粘土”（Illuminating Clay）

麻省理工媒介实验室（MIT Media Lab）2002年就开发了“照亮的粘土”系统，实现景观模型的建模、三维可视及实时计算分析的交互反馈。设计师或相关人员可通过人机交互界面，灵活地调整及分析模型空间形态。采用粘土手工制作模型，在改变景观模型的同时，顶置式激光扫描仪实时捕捉几何体的改变。模型图像输入至景观分析库中，计算阴影面积、土地侵蚀状况等。这些分析的结果再投影至工作空间，作用至模型表面。“照亮的粘土”系统初步实现了人、实体模型与虚拟模型之间的交互，但实体模型缺乏尺度精确性，只是一个粗略的建模过程［3］（图1-2）。

1.2“快速景观原型设计机器”（Rapid Landscape Prototyping Machine）

2010年，南加州建筑学院景观学系的景观形态实验室（Landscape Morphologies Lab）研究者亚历克斯•罗宾逊（Alex Robinson）在加利福尼亚欧文湖（Owen lake）项目研究中，运用了基于人机交互的自开发的分析工具“快速景观原型设计机器”，探索如何通过景观设计治理欧文湖严重的沙尘暴问题。

欧文湖位于欧文山谷，约180km2，以前是为洛杉矶城市供水的主要水源地，现已几近干湖，且常年受到空气微粒物pm10污染，并成为沙尘暴的源头。因此，欧文湖项目不仅要解决场地的环境污染问题，同时还要达到高效使用水体资源、降低维护成本等社会价值评判要求，因而需要提出能满足多方面需要的综合性设计方案。

亚历克斯•罗宾逊试图通过湖床的地形设计，根据地形与水体的关系分析，探讨地形形态，使其能高效利用水体来控制沙尘，同时还能满足人们对空间、视觉的感知评判。机器集成了地形模型建造工具、分析工具及展示工具。由六轴机器人手臂操控实体沙盘模型建造地形，地形模型通过激光扫描，在计算机中进行分析，模型及分析过程通过数字化投影展示。机器分为3个部分：

（1）地形成形：运用机器人手臂，与不同规格的手臂末端工具连接，由事先设计好的生成地形的路径算法驱动，经过基本的挖掘、推挤及耙松等动作，在满足土方平衡基础上，模拟地形的成型过程。由于沙的重塑性强，改变算法中的参数，或变换算法运算方式，地形形态就能得以重新设计及建造。

（2）模型分析：对建造的模型进行三维扫描后，进行土方、成本等定量计算分析，以及视觉感知层面的定性分析。通过机器人手臂运行路径测量、沙土增减置换评估，基于GIS的地形、植被等分析，以及季节性水平面、植被生长、太阳辐射变换等动态模拟，定量推算成本及资源的使用效率。采用柳岛直彦（Tadahiko Higuchi）在《景观的视觉及空间结构》（Visual and Spatial Structure Of Landscapes）中提出的视觉评估模型对地形空间进行定性感知分析。最终将综合分析结果反馈至实体沙模中。

（3）展示平台：展示平台开发了类似游戏的界面，不仅呈现模型的成型过程及分析过程，同时专家、公众能通过操纵杆灵活调节设计参数，从而控制设计形态，进行实时分析，这使得各利益相关者均能参与到设计的生成过程中，共同探讨资源利用、空间感知、社会价值、形态特征等的评价阈值。

“快速景观原型设计机器”为设计师、工程师、政府机构、民众等提供了能实时交互反馈的设计平台，使得多方共同参与到设计过程中。系统本身并不是要表现最终的完型的设计方案，而是展示设计过程，包括地形建造及建造后评估可视化，为后续设计提供原型［4］（图3-4）。

1.3“沉积机器”（Sedimachine）

以与“快速景观原型设计机器”类似的方式，布拉德利•卡佩尔（Bradley Cantrell），贾斯汀•霍兹曼（Justine Holzmen）以及大卫•梅林（David Merlin）在路易斯安那州立大学景观学系媒介与场地技术实验室（Media and Site Technologies Lab）设计了“沉积机器”（Sedimachine）。“沉积机器”是一个沉积模拟模型，用来作为解决路易斯安那南部土地流失问题的景观设计的分析工具。“沉积机器”对大尺度分沙模式进行模拟，由实体模型模拟及数字模拟两部分组成。采用Rhinocero软件中的插件Grasshopper建立数字地形，使用Firefly将数字地形与连有传感器的微控制器模型装置连接，发送与接收数据。根据数字模型，运用泡沫切割制作实体模型。实体模型置于1m*2.1m，1：1 000比例，底部坡度为2%的木头盒子中，使用水体、胡桃颗粒、细颗粒沙进行实体模型的动态沉积模拟。经过盒子的水体流量为每秒1 415m3，胡桃颗粒为轻量沉积物，细颗粒沙则为重颗粒沉积物。实体模型中模拟的沉积过程，运用微软公司 Kinect技术，实时将实体模型中地形改变反馈至数字模型中。机器采用监测、感应及驱动工具，运用反馈回路来控制机器系统的运行规则，从而提出大尺度的与河道沉积过程相关的相应景观设计策略［5］（图5）。

2　人机交互技术支持下的体验性动态景观互动装置设计

关注观者体验感受，运用人机交互技术创作的互动装置艺术，发展于艺术领域，且早期以室内展呈为主。近年来，随着公共艺术的发展，互动装置艺术逐渐与开放空间设计结合，试图使人与其所在的户外环境进行交互，创造独特的场所感。

开放空间中的数字互动装置设计，通常利用特殊的计算机输入设备如温度感应、距离感应、压力感应、空气流动感应等捕捉环境数据，再以图像、数字、文字等可视化形式输出，并对观者的互动反映做出判断，使开放空间的参与者在人机交互中获得体验。

通过在装置设计中多种人机交互技术的使用，一方面使得人们可突破人体本能的感知局限，扩展视、听等感觉范围，从而与外部环境之间产生更广泛的关联，获取独特体验；另一方面人机交互可将信息可视化，从而使人们能对超越自身感知能力的复杂外部环境的动态关系进行阐释。因而，基于人机交互的开放空间装置设计不仅是美学、形态学层面的内容，它还建立了风景园林中物质空间与非物质空间之间的关联，体现了场地的自然特性，从而将人工的设计干预与环境的生态过程结合起来。

目前，开放空间互动装置设计实践众多，以下通过两个具有代表性的案例阐述互动装置与风景园林空间主要的交互目标与方式。

2.1增强感官体验性——无线感应真菌人文树道

“无线感应真菌人文树道”是国立台北艺术大学与淡江大学于2010年共同完成的台湾第一个将无线感应网络技术融入户外开放空间的艺术装置。它整合了无线通讯技术、无线感应技术、互动技术等，期望通过装置让人们感受数字化艺术体验。装置通过环境感应节点收集环境的光线、温度、湿度及风力等信息，通过多媒体声音感应节点播放音乐与数字声音。装置提供了三种互动模式：音乐互动模式、Twitter社会话语互动模式及手机远程互动参与模式。

音乐互动模式中，当第一位参观者靠近装置时，装置将播放交响乐主旋律；当更多的参观者靠近时，则分别依次播放交响乐中的副旋律（如打击乐、管乐等），与主旋律一起演奏。当任何一位参观者离开时，则停止播放对应的音乐。真菌装置还可识别风力、太阳辐射等，当风力等到达一定数值时，则停止播放交响乐，而穿插播放与气象条件相关的其他音乐，以提醒人们对气候环境的关注。

Twitter社会话语互动模式，通过收集Twitter上的社会话题，将文字转化为声音，当有5个人同时靠近真菌时，真菌森林将同时随机播放Twitter上的留言，可让参观者跨越时空界限，了解城市居民关注的问题。

手机远程互动参与模式，则是让无法亲自参观装置的人们能通过手机体验与装置的互动。人们从手机上能发现在装置附近是否有参观者。在手机上互动的参与者的位置被定位，当人们在手机上与装置互动时，现场的装置将发出与互动者位置环境相匹配的音效，如学校环境声音，交通工具声音，餐饮店声音等［6］（图6）。

2.2跨越时空的城市社会现象阐释——明尼阿波里斯市大型情绪交互装置

明尼阿波里斯市大型情绪交互装置（Minneapolis Interactive Macro-Mood Installation，MIMMI）是一个标志性的云状充气装置，置于明尼阿波里斯市会议中心广场上。装置通过搜索当地Twitter上数据，运用文本分析收集微博中人们正面或负面情绪，并进行实时分析输入，夜晚通过LED灯光将数据可视化，低能耗的灯光，悬挂在像汽球般鼓起的装置中，在日落后展示整个城市的情绪。灯光的颜色依据人们的情绪在冷色（负面）与暖色（正面）间转换，转变的速度与微博上的内容变化相关。白天则通过嵌入气球装置的喷雾装置，根据城市情绪的快乐程度，变换喷雾强度，反映数据信息，同时对场地进行降温。

广场上的参观者也是装置变换的驱动因素，提升他们与装置的交互频率能有助于提升城市整体的正面情绪。由于装置能探测广场上人的行走，同时将他们的信息也包含至分析中。因此，如果城市情绪表现特别沮丧，市民可以有意识地环绕装置行走，与装置互动越多，装置活跃度越高，灯光与喷雾也会随之增加。除了装置外，设计师还开发了网站，将2013年夏季装置产生的城市情绪进行了分类，使得参观者能观察每日及每周城市的情绪发展趋势。

将数据与景观空间交互联系起来。作为城市地标，装置验证了多尺度的跨越时空的交互方法。装置被视为明尼阿波里斯市的情感通道，将市民与参观者带入到整个城市集体情绪的体验中。通过交互技术，装置将公共空间的物质性与网络空间的虚拟性结合，参观者在互动中将两者关联起来，以新的方式观察城市实时发生的动态变化，并极有可能对城市生活特征有意外发现［6］（图6）。

3　人机交互技术支持下的动态景观设计未来

风景园林研究者将新型的人机交互技术运用于风景园林设计中，景观系统的动态性的识别与表达成为技术运用的切入点。人机交互运用于动态景观模拟与设计，需借助可控机器人技术、分布式智能技术、生物/非生物界面设计及普适传感网络等技术的发展，涉及计算机科学、机器人学、地理科学、艺术学等多个学科，需要相关专业的相互配合，共同合作。

无论基于人机交互的动态景观设计涉及的领域多么庞杂，对于人机交互应用的未来展望，仍应置于风景园林所需解决的基本问题中来探讨，即设计师如何能在复杂的动态景观系统中进行设计，并且如何能适应不断变化的环境？基于此核心问题，结合现有研究与实践，预想人机交互技术在动态景观设计方面的应用将在以下两个方面有所突破：

3.1动态景观系统规律的可视与识别

长期以来，景观动态模拟分散于各个学科，由于学科屏障而难以有效的与设计联系起来，以致景观系统的动态特征难以被理解、被预测及被表现。从上述案例可见，基于人机交互的景观模拟工具对于动态景观系统规律的呈现与分析具有良好的应用前景。

与传统桌面人机交互方式相比，感应型、反应型等新型互动环境能使设计师与环境模拟分析之间交互方式更为多样，还能将设计师所熟悉的实体模型带入到模拟过程，从而使设计师更为直观地形成设计反馈。基于人机交互的动态模拟，包含了将虚拟模拟与实体模拟相结合的研究，旨在重新将设计师的多元感知能力及物质空间与虚拟分析工具整合。正如麻省理工媒体实验室-有形媒体实验室创建人石井森（Hiroshi Ishii）在开发“有形用户界面”方面所做的努力，他认为关键是“为信息和计算提供有形的物质表现形式”，并希望通过有形物质与无形的投射光栅影像间的控制耦合机制，通过人机界面，扩展人们的感知能力。将装载着感应器的物理模型与不同尺度的复杂的生态模拟联系起来，这些方法对任一尺度的景观环境的探索都有着重要价值。

杰夫•马诺格（Geoff Manaugh）在“景观未来”（Landscape Future）一书中列举了网络设备、传动装置、无线电、卫星等一系列工具来说明现有技术影响着人们对景观系统的固有理解。他认为“将肉眼难以察觉的现象可视化已经发生”［7］。

3.2景观系统动态特征的表现及创造

景观系统的动态性常常通过自然要素（如植被生长、水体流动与侵蚀等）等物质实体得以表达。而对于非物质要素，如微气候、信息传递、感知等则难以寻找到动态表现的途径。通过植入装置等要素，设计交互空间，将不可见的数据物质化、可视化，是未来景观系统动态特征表现与创造的重要途径。交互景观空间的“形式”是物质空间与数字空间共同作用的结果，通过人机交互设计，表达隐喻的含义或表述某种场地特性，其中所蕴含的信息传递跨越时空，跨越尺度，将打破物理距离的限制，从而扩展人们交往空间的范围。在风景园林设计的语境下，交互带来的人体空间感受将发生改变，对人体体验的重新认知将是设计的基础。

然而，对于设计师而言，人机交互在这两方面的应用存在着较大的技术瓶颈。基于人机交互的动态景观模拟工具与互动装置的实现，至少包括以下3大系统：（1）信息感应系统：主要用于控制信息的输入，如采用红外传感器、温度传感器等，通过对人体温度等感知人的行为。（2）信息中央控制系统：包括软件与硬件系统两部分。软件系统：如使用Arduino C， Processing等对接受的信息，通过程序设计，按照设计者需求发出指令，输出信息，同时对互动对象的反映做出判断。硬件系统包括单片机（微控制器）、传感器、通信模块、电机驱动及机械装置等。（3）信息输出系统：将处理的信息通过影像或物质实体进行动态呈现［8］。

交互系统需要通过计算机程序来进行控制，这对于风景园林设计师而言具有难度，因而，多学科合作是人机交互在风景园林设计中应用的理想的实现途径。近年来，伴随着计算机软件及硬件的发展，逐渐出现了便于设计师使用的开发平台，如Arduino，Raspberry Pi等，其中Arduino已在设计领域得到了较大程度的运用。由于这些开发平台开发界面友好，且能与设计师熟悉的建模及草图工具结合，如Grasshopper及Firefly，拓展了设计师基于程序设计的可能，这也进一步提升了人机交互在风景园林中使用的可能性。

4　结语

人机交互为景观动态环境的理解与塑造提供了新的方式。人机交互技术与景观环境整合，从根本上改变了人们对建成系统的感知，并与生态过程产生关联。哈佛大学卡佩尔和霍兹曼预测即将出现一种范式的转变，景观环境中智能机器及景观系统将高效地共存及共同发展［6］。伴随着无处不在的网络技术的发展，未来的设计师将能够探索、设计、建造在过去无法企及的景观系统。人机交互在不同尺度的景观过程模拟及动态过程表现的应用值得期待，但人机交互的使用仍应置于改善生态环境、满足人的需求，创造丰富景观空间等风景园林设计的本质中探讨。［9-10］

注释：

图片来源：图1，图2：引自参考文献［3］第360页。图3：引自参考文献［4］第352页。图4：University of Southern California. Rome Prize ［EB/OL］.（2015-08-08）［2015-12-01］. http：//lmlab.org/news/. 图5：引自参考文献［5］第220页。图6-1～图6-3：引自参考文献［6］第210页。图6-4：Kristin Tillotson. Giant art cloud will reflect Minneapolis’s changing moods［EB/OL］.（2013-03-11）［2015-12-01］. http：//www.startribune.com/giant-art-cloud-will-reflectminneapolis-s-changing-moods/196155871/. 图 6-5：Jeff Strickler. Minneapolis’ Secret City to put late-night street art ’in a new light’ ［EB/OL］. （2013-06-17）［2015-12-01］. http：//www.startribune.com/minneapolis-secret-city-to-putlate-night-street-art-in-a-new-light/211867361/.

［1］匡纬.基于非线性思维观的景观设计策略研究［D］.北京：北京林业大学，2011：34-35.

［2］董士海.人机交互的进展及面临的挑战［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2004，1：1-13.

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［4］Gerber， David Jason， Mariana Ibanez. Paradigms in Computing： Making， Machines， and Models for Design Agency in Architecture ［M］. eVolo Press， 2015：351-358.

［5］Amoroso， Nadia. Representing Landscapes： Digital ［M］. Routledge， 2015：216-226.

［6］Cantrell， Bradley E.， Justine Holzman. Responsive Landscapes： Strategies for Responsive Technologies in Landscape Architecture ［M］. Routledge， 2015：209-218.

［7］Allen， L. J.， M. Smout. Landscape Futures： Instruments，Devices and Architectural Inventions ［M］. Actar， 2013：15.

［8］虞刚.定义互动建筑［J］.建筑与文化，2012，（8）：62-63.

［9］匡纬. 风景园林“参数化”规划设计发展现状概述与思考［J］. 风景园林，2013，（1）：58-64.

［10］宋刚. 互动的风景数字技术条件下具体工程实践与实验装置探索［J］. 风景园林，2013，（1）：83-87.

Future Dynamic Landscape Design Based on “Human Computer Interaction”

Landscape system is complex and dynamic. Landscape design with Human Computer Interaction （HCI） technology appears to be effective to express “time”character of system. Through case study， the article aims to （1）explore the approach how dynamic landscape system simulates with HCI， including the entity and the virtual model combining technology node， accomplish model - analysis - feedback such cycle technology route of the design process. （2）Explain the relationship between dynamic interaction art installation and landscape spaces， to enhance sense experience on one hand， on the other hand， also to review on urban social phenomenon. （3）Based on the discussion above， possibilities and values of applying HCI to landscape design are presented. Meanwhile， prove the multi-disciplinary cooperation is the main approach on human-computer interaction technology applied in landscape design.

Human Computer Interaction； Dynamic Simulation； Interaction Installation Art； Digital Landscape； Programming Design； Computer Aided Design

TU986

A

1673-1530（2016）02-0014-06

10.14085/j.fjyl.2016.02.0014.06

2016-01-12

匡纬/1982年生/女/苏州人/同济大学建筑与城市规划学院在站博士后（上海200092）