Mimari tasarım sürecinin erken aşamasında kullanılacak artırılmış gerçeklik uygulamalarının geliştirilmesi için bir yöntem önerisi
A new approach for development of a mobile augmented reality application to be used in the early phases of the architectural design process
Yazar: MAHMUT ÇAĞDAŞ DURMAZOĞLU
Danışman: PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mimarlık = Architecture
Dizin: Arayüz tasarımı = Interface design ; Artırılmış gerçeklik = Augmented reality ; Bilgisayar destekli karar verme = Computer aided decision making ; Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Hesaplamalı tasarım = Computational design ; Kavramsal tasarım = Conceptual design ; Kullanıcı odaklı tasarım = User-Centered design ; Mimari tasarım = Architectural design ; Mimari yazılımlar = Architectural softwares ; İnsan-bilgisayar etkileşimi = Human-computer interaction

Özet:
Kişinin dünyayı algılamasında en fazla öneme sahip duyularından birisi olan görme duyusunu kullanarak gerçeğe en yakın deneyimleri sunma yolu olarak tercih edilen sinema sektöründe, daha önce görülmeyen ve deneyimlenmeyeni deneyimlemenin yollarını arayan Morton Heilig 1962 tarihinde geleceğin sineması olarak adlandırdığı izleyicilerinin tüm duyularına hitap edecek Sensorama adındaki ilk Sanal Gerçeklik deneyimini geliştirmiştir. Bu gelişmeden birkaç yıl sonra Uluslararası Bilgi İşlem Federasyonu Konferansında insanların mümkün olduğunca çok duyusuna hitap edebilecek, farkı veri girdi ve çıktı araçlarıyla uyumlu çalışabilen ve kullanıcısının bakış açısına göre görsel üretebilecek bir bilgisayar ekranının fiziksel dünyada deneyimleyemeyeceğimiz kavramları deneyimleyebilmemize olanak tanıyabileceği öne sürülmüştür. Bu öngörü günümüzde Karma Gerçeklik (KG) olarak tanımlanan ve Artırılmış Gerçeklik (AG) ve Sanal Gerçeklik (SG) alanlarını kapsayan, yapay/bilgisayar tarafından üretilmiş çevrelerin geliştirilmesinin temelini oluşturmuştur. Kullanıcılarını tamamen sarmalayan ve onların tüm duyularına hitap ederek yapay olarak üretilen bir ortamı deneyimlemelerine olanak tanıyan SG kavramı yıllar içerisinde alt bölümlere ayrılarak kullanıcıların yeni deneyimler edinebilecekleri farklı çevrelerin geliştirildiği bir araştırma alanı haline gelmiştir. Bu araştırma alanının alt başlıklarından birisi olan AG kavramı ise SG'nin aksine kullanıcıların tamamen yapay bir çevrede değil, gerçek mekanda bulunan nesnelerle ilgili farkındalıklarının, bilgisayar yardımıyla üretilen bilgi katmanlarının gerçek çevreye veya gerçek çevrede bulunan nesnelere eklenerek deneyimlenmesi ve artırılmasını sağlayan teknolojilerin açıklanmasında kullanılmaktadır. 
Sağlık, turizm, eğlence, savunma, bakım ve onarım, eğitim, tasarım gibi birçok alanda kullanılan AG sistemlerinden kullanıcıların motivasyonunu artırmak, öğrenme deneyimlerini zenginleştirmek ve iyileştirmek, mekansal farkındalıklarını ve 3 boyutlu düşünme becerilerini artırmak, görevlerini daha verimli bir şekilde gerçekleştirmelerini sağlamak, fikirlerini hızlı bir şekilde görselleştirmelerine, değerlendirmelerine ve paylaşmalarına yardımcı olmak gibi amaçlarla faydalanılmaktadır. Tasarım sürecinde kullanıcıya avantaj sağlayacak bu özelliklere sahip olması nedeniyle AG teknolojisi geleneksel ve dijital tasarım yöntem ve araçlarının kendilerine özgü güçlü yanlarını bünyesine katarak özellikle tasarım sürecinin erken aşamalarında bu iki yöntemi birleştirebilecek bir köprü vazifesi görebilme potansiyeline sahiptir. 
Bu doktora tezinde mimari tasarım sürecinin erken aşamasında kullanılacak AG uygulamalarının geliştirilme sürecinde kullanılabilecek yeni bir yöntem önerisi geliştirilmiştir. Önerilen yöntem izlenerek geliştirilen AG uygulamasının kullanıldığı tasarım egzersizlerinde elde edilen veri analiz edilerek geliştirilen uygulamanın kullanılabilirliğinin hangi yöntemler kullanılarak değerlendirilebileceği ve bu uygulamanın ne gibi özelliklere sahip olması gerektiği araştırma sorularına cevap aranmıştır. 
Tez altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde motivasyon, araştırma soruları, tezin amacı, metodolojisi ve tezin literatüre katkısı ve yaygın etkisi ele alınmıştır. İkinci bölümde AG kavramı ve teknolojik değişimlerin bu paradigmaya etkisi tasarım perspektifinden ele alınmıştır. Ek olarak, AG sistemlerinin bileşenleri ve bileşenlerin avantajları ve sınırlamaları bir geliştiricinin bakış açısıyla tartışılmaktadır. Daha sonra AG teknolojilerinin kullanım alanları, mimarlık disiplinine odaklanılarak yapılan literatür taraması üzerinden örneklerle tartışılmıştır.
Üçüncü bölümde "MimAR" uygulamasının geliştirme süreci anlatılmaktadır. Öncelikle Birleşik Modelleme Dili (BMD) kavramı seçilen diyagramlarla örneklendirilerek tanıtılmıştır. Ardından uygulamanın yer/yönelim değişimi ve nesne modifikasyonu gibi çeşitli özellikleri sunulmakta ve açıklanmaktadır. "MimAR" uygulamasının sürekli ve döngüsel geliştirme sürecinde gerçekleştirilen iyileştirmeler sonucu geliştirilen farklı versiyonlar, kullanıcı geri bildirimi ve görselleştirme gibi konularda yapılan iyileştirmelere odaklanılarak sunulmuştur. Son olarak "MimAR" uygulamasının Grafik Kullanıcı Arayüzü (GKA) anlatılmıştır. Dördüncü bölümde, kullanılabilirlik kavramı ve kullanılabilirliği ölçmek için kullanılan farklı yöntemler açıklanmaktadır. Ayrıca farklı kullanılabilirlik yöntemleri karşılaştırılarak çalışma kapsamında Mobil Artırılmış Gerçeklik Kullanılabilirlik Ölçüsü (MAGKÖ), Sistem Kullanılabilirlik Ölçüsü (SKÖ) ve NASA İş Yükü Endeksi anketlerinin tercih edilme nedenleri açıklanmıştır.
Beşinci bölüm "MimAR"ın pilot çalışmalar ve deneysel çalışma ile değerlendirilme sürecinden oluşmaktadır. Ana çalışmadan önce, kullanılacak anketlerin anlaşılabilirliğini, uygulamanın kullanılabilirliğini ve deney kurgusunda herhangi bir değişikliğe gerek olup olmadığını değerlendirmek amacıyla pilot çalışmalar yapılmıştır. Pilot çalışmaların sonuçları ilgili bölümlerde açıklandıktan sonra, elde edilen sonuçlardan yola çıkılarak deneysel araştırmanın kurgusu ve anketlerde yapılan iyileştirmeler sunulmuştur. Bölümde daha sonra yer alan üç alt bölümde ise gönüllü katılımcılarla gerçekleştirilen ana çalışma kapsamında yapılan kullanılabilirlik, zihinsel iş yükü ve kullanıcıların tercihlerini belirlemeye yönelik gerçekleştirilen regresyon analizi çalışmaları ve sonuçları sunulmaktadır. 
Altıncı bölümde tez kapsamında elde edilen sonuçlar kullanılabilirlik, kullanıcı tercihleri ve nitel kullanıcı geri bildirimlerine odaklanılarak tartışılmaktadır. Elde edilen sonuçlar, öncelikle doktora tezi sırasında izlenen uygulama geliştirme sürecinin başarılı ve uygulanabilir olduğunu göstermiştir. Uygulamanın kullanılabilirliğinin her zaman kabul edilebilir seviyede olması için geliştirme sürecinin sürekli ve döngüsel olması ve uygulamanın kullanılabilirliği ve iş yükünün süreç boyunca değerlendirilmesi gerekmektedir. İkinci olarak, araştırmacı tarafından tez kapsamında geliştirilen AG uygulaması, uygulamayı deneysel çalışma kapsamında erken tasarım evresinde kullanan katılımcılar tarafından MAGKÖ ve SKÖ anketleri kullanılarak kullanılabilirlik açısından değerlendirilmiş ve uygulamanın kabul edilebilir seviyede olduğu sonucu elde edilmiştir. Üçüncü olarak "MimAR"ın algılanan iş yükünün katılımcılar tarafından kabul edilebilir seviyede olduğu sunucu elde edilmiştir. Son olarak ise, erken mimari tasarım sürecinde kullanılmak üzere geliştirilen AG uygulamalarından kullanıcıların beklentilerinin tanımlanması için gerçekleştirilen çoklu doğrusal regresyon analizi sonucunda elde edilen modeller değerlendirildiğinde işaretleyiciler, etkileşim yöntemleri, nesne özellik modifikasyonu, grafik kullanıcı arayüzü özellikleri ve yazılım özelliği temalarının kullanıcıların bu teknolojiyi kabullenmelerinde etkisinin bulunduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Visual documentation methods such as drawing, photography and cinema were advanced because of people's desire to make sense of their environment, explain, and express it to others. They also made it possible for people to see new places and have new experiences without physically changing their location. While exploring new and exciting ways to entertain his audiences, Morton Heilig, improved upon the technology of moving pictures and built the first immersive system that could appeal to all senses of the audience called "Sensorama" in 1962. In a few years later, at the Conference of International Federation of Information Processing, it was suggested that a computer screen that appeals to as much senses as possible, that is compatible with different input-output devices, and that can generate visuals according to the direction of its user's gaze might allow us to experience the concepts that are impossible to experience in the physical world. That vison laid the foundation for the concept that is known today as Mixed Reality (MR) which comprises of both Virtual and Augmented Realities. Virtual Reality (VR) is a research area where immersive artificial/computer generated environments that are not bound by the limitations of the real world, are developed. On the other hand, Augmented Reality (AR), which is theorized as a branch of VR, is used to augment its user's perception of the real space by adding computer generated information to the real environment or objects in the environment. Progress in the MR related research has been steady. However, hardware and software technology became advanced enough to realize what has been proposed since the inception of these concepts. In addition, the increase in the number of contributions to literature on both national and international levels shows that MR has the capacity to be one of the most promising research fields in the following years.    
In the field of architecture, we are at the threshold of another change much like the one that happened with the development and the large-scale use of Computer Aided Design (CAD) methods and tools. The previous technological revolution in architectural design happened much like the industrial revolution, with increasing efficiency by regulation and automation of repeated tasks. The next one might start with finding a way to capitalize on the already technologically literate user base by considering their preferences and tailor the new generation of CAD tools both according to the users' preferences and needs and, to be used as early as possible in the design process. 
Since its inception, AR has been utilized in different fields such as medicine, military, education, assembly and fabrication, maintenance and repair, entertainment, tourism, advertisement, architecture, and has been reported to increase the motivation and efficiency of its users, help with their learning processes and specifically increase their spatial awareness and decrease their mental task load. Having these traits that can be advantageous to the user during the design process, and the AR technology has the potential to bridge the gap between traditional and digital design methods by consolidating the strengths of both, especially when used in the early stages of the architectural design process. Moreover, theAR technology in both the hardware and software aspects has become advance enough to provide new and exciting opportunities to the users and the developers alike. 
In this thesis, it is aimed to develop a framework that is going to be used in the development of mobile AR applications to aid designers in the early phases of the architectural design process. Decisions made in the early phases of the architectural design process are fundamental in the framing of the design problem and searching the solution space. Therefore, it is very important to provide designers the methods and the tools to help them develop their solutions and test them as early as possible. 
Previous research in the literature showed that digital design environments and tools can be effectively used in design, evaluation, and representation of complex forms. In addition, they are regarded as beneficial in improving designers' 3D spatial perception, evaluation, and spatial cognitive capabilities. However, CAD tools and environments are also considered unsuitable to develop new ideas. Because they are developed to increase efficiency in drafting by automation of the routine tasks and they lack the facilities to support creative design process. In contrast, traditional design methods and tools are suggested to support creative thinking by allowing design ideas to be reinterpreted in new ways and create less cognitive load during. As a result, they are suggested to increase the quality and the amount of the design solutions while decreasing the total amount of time spent on the design process. Even though there are some studies into the effects of using traditional and digital design methods in the design process both as synchronized or in order, it was suggested that; first these two methods could be used to carry out similar tasks interchangeably; and second using those two methods at the same time would lead to reaching novel and high-quality design solutions. However, those research projects were done by utilizing commercial CAD tools. 
This PhD thesis is concerned with investigating the possibilities that a CAD tool, which is specifically developed and critically targeted to be used in the early phases of the architectural design process together with traditional design methods and tools, would bring to the table. Therefore, this thesis' contribution to the literature is undertaking the task of uncovering "How would AR environment be leveraged to aid designers especially in the early phases of the architectural design process?", and answering research questions such as: "What kind of components and features an AR based CAD application that is developed to support the traditional design methods and tools in the early phases of the design process should have?", and "How should the adoptability of this tool be evaluated?". In order to answer those questions empirically, and to propose a new approach to develop AR-based design applications that are going to be used in the early phases of the architectural design, it was decided to develop a CAD application, that utilize AR technology to benefit from the strengths of both traditional and digital design tools and methods and not be limited by their shortcomings.
Developing a CAD tool, even if it is not for commercial use, that is easy to use, efficient and effective at the same time, is a demanding task. Because other than ensuring the operability of the system, there are several other aspects that should be taken into consideration in the development process such as target user base, their preferences, application's usability and whether the tool hinders users' design process or not. Therefore, pilot studies were conducted with both expert and novice users to understand the needs and preferences of different user profiles, and through a focused literature study, various measurement and evaluation methods were inspected to decide the appropriate methods to evaluate the usability and the perceived workload of the application. In order to ensure the reliability of the results, the usability of the AR application was decided to be measured by two usability questionnaires that were frequently employed in the usability studies, namely Mobile Augmented Reality Usability Scale (MARUS) and System Usability Scale (SUS). In addition, a new questionnaire called "User expectations from an AR application" was developed. This questionnaire was developed to define the expectations and preferences of the users of this study from an AR application that is specifically designed to be used in the early phases of the architectural design process. Questionnaires that were curated and developed in the context of this PhD thesis were approved by the "Istanbul Technical University, Social and Human Sciences, Human Research Ethics Committee" under the Project Number: 196.
The thesis consists of six main chapters. The motivation, research questions, aim of the thesis, methodology and the contribution of the thesis will be covered in the first chapter.
In the second chapter, the concept of Augmented Reality, its beginnings, and the effect of technological changes on this paradigm is discussed from the perspective of design. Additionally, components of the AR systems and their advantages and limitations are discussed through a developer's viewpoint. Next, the use of AR technologies is discussed with examples related to architecture through a comprehensive literature review.
The third chapter presents the development process of the "MimAR" application. First the concept UML is discussed with selected sample diagrams. After the brief introduction to UML, various features of the application such as translation and modification are presented and explained. Because of the continuous and cyclical nature of the development process the different versions of the application is presented with focusing on the improvements made on issues such as user feedback and visualization. Lastly, the Graphical User Interface of the "MimAR" application is explained.
The fourth chapter explains the concept of usability and different methods to measure usability. Various measurement and evaluation methods that are used to determine the usability of different systems from hardware to software are explained in detail to paint a better picture about the domain of usability. Moreover, different usability methods are compared and the reasons behind choosing MARUS, SUS and NASA TLX questionnaires are explained. 
The fifth chapter consists of the evaluation of the "MimAR" through pilot studies and the experimental study. Pilot studies are conducted for determining the usability of the "MimAR", to find out if the questionnaires regarding usability, mental task load, and experiment setup need final adjustments before the experimental study. After the results of the pilot studies are explained, the improvements to the experiment design and to the questionnaires are presented. In the next three sub-chapters, the usability, the mental task load, and the regression analysis to determine users' preferences are presented. 
The conclusion and the discussions are presented in the sixth chapter by discussing the results of the experimental study focusing on the usability, users' preferences, and users' qualitative feedback. The results of the experimental studies showed that first of all the development process that was employed during the PhD thesis is successful and applicable. In order to ensure that the usability of the application is always at an acceptable level, the development process of the AR application should be continuous and cyclical, and the usability and the workload of the application should always be evaluated throughout process. Second, the usability of the AR application that was developed by the researcher in this thesis following these principles was evaluated as acceptable by the participants. That means, after completing the given design experiment, the AR application "MimAR" was considered as a usable tool that could aid designers while they were developing their solutions in the early phases of the architectural design process by the participants. Third, the analysis of the data obtained during the experiments revealed that the perceived workload of the "MimAR" was considered acceptable by the participants. This result showed that the "MimAR", and by extension an AR application that was developed following the new approach proposed in this thesis, has the potential to provide a design environment to designers to focus their energy and attention to develop alternative design solutions instead of trying to figure out how to use the design tool itself. Lastly, the results of the multiple linear regression analysis showed that the adoptability of an AR application that is developed to be used in the early phases of the architectural process is mostly affected by the features that were linked to the marker technology, interaction methods, object modification, Graphical User Interface, and additional software capabilities.