地铁车站导向标志设计交互系统研究

李 磊，李豪冉

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是当代信息技术高度发展、多种技术综合集成的产物。它借助虚拟技术、影像技术、计算机网络技术的优势，搭建一个高度逼真的虚拟环境，为使用者营造一种身临其境的感受，使其可以对虚拟现实环境中的三维环境模型进行感知和交互[1]。随着计算机软硬件技术的发展，虚拟现实技术的应用范围也愈加广泛，正在逐步渗入各个专业领域中。但是，在地铁车站导向标志系统规划设计过程中，设计人员目前仍在使用AutoCAD软件或基于该平台二次开发的辅助设计软件，仅能满足二维绘图需求。基于二维平面的设计方案在进行最终评审时，设计效果与现场实际需求容易存在差异。地铁车站导向标志设计虚拟交互系统借助虚拟现实技术，能够将高仿真的车站场景与设计对象有效融合，以更加直观、逼真的方式，多角度立体展示车站的整体环境和各种附属设施，用其独有的影像化展示功能、生动的交互性能和对现实的模拟功能，使设计人员及评审人员能够全方位决策标绘、分析研判，实现设计方案动态调整，为地铁车站导向标志系统的设计提供了一种全新的实践模式，是适合我国轨道交通发展行情的系统方案。

1 虚拟现实技术基本特征

虚拟现实技术依托计算机技术，构建高度还原多感官一体化的虚拟环境(Virtual Environment，简称VE)，用户借助必要的硬件设备与虚拟环境中的三维模型进行交互[2]。其本质是将不可视的想象力变成由三维模型搭建的场景，核心是逼真性和可视性。

虚拟现实技术有3个重要特征，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。沉浸性是指使用者完全置身于计算机搭建的虚拟环境中，并成为其中的一部分，由被动旁观者变成主动参与者；理想的虚拟环境可以使使用者真假难辨，甚至忽略其正处于一个由计算机生成的虚拟环境中。交互性是指使用者与虚拟环境中的各种三维模型相互影响、相互作用的能力；构想性是指用户在虚拟环境的多维信息空间中，可以依靠自身的感知和认知能力主动、全方位获取信息，寻求现实问题的可靠解决途径[3]。

2 系统设计与实现

基于地铁车站二维CAD设计图纸，利用数码摄像设备采集车站范围内主要设备图像，将二者结合，在3D Max中对地铁车站内各种静态、动态对象进行三维建模；结合现实场景，对已经建好的三维模型进行优化处理，包括拓扑优化、贴图制作、材质处理、灯光效果、全局光烘焙，使之更符合人的真实感受，创建沉浸式体验场景。以动态三维图像(或图形)表达地铁车站范围内的乘客、主要设备设施、导向标志等的形态，使设计人员和评审人员可以从不同角度对导向标志的布局、版面信息等进行观察和操作，实现方案设计与评估的实时动态调整。

2.1 三维建模

(1)环境模型。地铁车站环境模型包括地面(户外)、站内地下一层(站厅层)和站内地下二层(站台层)。其中：地面(户外)包括地面、道路、绿化和地铁口等元素；站内地下一层(站厅层)包括建筑内部结构(地面、墙面、吊顶)、连接站厅层与地面的楼梯和自动扶梯、人工服务厅、承重柱、护栏、广告牌等元素；站内地下二层(站台层)包括建筑内部结构(地面、墙面、吊顶)、连接站台层与站厅层的楼梯和自动扶梯、承重柱、站台、列车、广告牌等元素。

(2)设施设备模型。地铁车站关键设备模型包括自动售票机(TVM)、安检设备、闸机(AGM)等。

(3)导向标志模型。地铁站主要导向标志包括出入口地徽、购票标志、安检标志、进站标志、乘车标志、出站标志等。

(4)乘客模型。地铁车站内随机分布动态行走的乘客，密度一般；在购票、人身安检、过闸、站台候车等处设置排队的乘客。为确保场景流畅，远距离乘客用贴片，距离靠近后转为动态三维模型。

2.2 场景制作

(1)拓扑优化。建模过程中优化模型网格，提升模型渲染效率；减少复杂模型的三角面数量，提高场景帧率。

(2)贴图制作。制作环境模型、设施设备模型、导向标志模型和乘客模型贴图，贴在三维模型的表面，使模型视觉效果更加逼真，场景更加贴近现实世界。

(3)材质处理。地铁车站内三维模型所需的材质贴图主要包括金属、石料、玻璃等。

2.3 灯光效果

结合现实场景，地面(户外)场景增加自然光，站厅层和站台层增加灯光，电子广告牌及导向标志设置内部光源。灯光效果要接近现实，充分考虑不同光源的光照强度及不同材质的反光效果，增加场景的沉浸性。

2.4 全局光烘焙

以光照信息渲染成贴图的方式，对不同场景进行全局光烘焙后更加接近原始灯光效果，同时也可以大大提升场景渲染效率。

3 系统建设的必要性

地铁车站导向标志系统的规划与设计是一个综合性问题，结合地铁车站实际情况进行车站导向标志系统优化设计，尤其导向标志布局方面是目前需要深入研究的重要课题。

3.1 地铁车站导向标志系统的作用

地铁车站导向标志系统是对车站建筑空间功能的一种立体、直观的诠释，对车站基础功能的实现具有十分重要的意义。其主要功能是合理组织车站内部的客流流向，向乘客提供导乘和服务信息，最大限度减少乘客无效停留时间。设计科学、布局合理的导向标志系统不仅有助于车站客流组织的顺畅性，提高服务水平和质量，而且可以极大改善乘车环境和感受，同时也是城市文化的重要展示窗口。

3.2 地铁车站导向标志系统设计的问题

虽然我国新建地铁车站的导向标志系统已经日趋完善，乘客对导向标志系统的认知度和满意度也在不断提高，但目前地铁车站的导向标志系统仍存在诸多问题。如：导乘、指引作用发挥不足；导向标志系统与车站整体环境缺乏统一性；布局缺乏连贯性，信息中断；安装位置不合理，易读性不强；信息不足或冗余等。

4 系统建设的意义

目前地铁车站导向标志系统规划设计仍主要依赖于抽象的二维图纸系统(建筑平面图、立面图等)，仅能提供静态的视觉体验，表现力差，设计人员及评审人员均无法以乘客的视角来感受建筑空间。地铁车站导向标志设计虚拟交互系统可以使设计人员及评判人员在仿真的三维环境中，用动态交互的方式对车站整体环境及导向标志的设计布局进行身临其境的全方位审视，可以选择并自主切换进站、出站及自由漫游等多种场景模式，而且在漫游过程中还可以实现如移动导向标志的位置、备选导向标志替换等互动操作。

在地铁车站导向标志系统的规划设计过程中，通常需要各方人员或者多个领域的专家对同一个设计方案进行反复探讨、验证和修改，地铁车站导向标志设计虚拟交互系统可以打破空间和时间的限制，方便组织各专业人员对设计方案进行分析研判，大大降低规划设计的时间成本，提高评判决策效率，从而保证导向标志系统的准确性。

地铁车站导向标志设计虚拟交互系统可以实现车站整体环境的三维可视化，使设计人员可以直观观察车站客流走向，并对设计方案不断进行优化、调整、比较，从而实现导向标志规划设计数字化、智能化、可视化，最终使地铁车站的导向标志设计达到更加合理、高效、精益的目标，为导向标志的布局提供更加可靠的依据。

地铁车站导向标志设计虚拟交互系统是信息化发展的产物，是智慧地铁大框架下不可或缺的有机组成部分。

5 总结

地铁车站导向标志系统规划设计的合理性和科学性，直接影响客流组织效率的提高及运营服务工作的水平和质量，虚拟现实技术的应用为地铁车站导向标志系统规划设计提供了耳目一新的实践模式，是适合我国轨道交通事业发展的系统方案。