Mimari tasarım eğitiminde sarmal sanal gerçeklik ortamının mekansal ilişkilerin algısına etkisi
The effect of the immersive virtual reality on perception of topological relations in architectural design education
Yazar: İLKE YILDAN
Danışman: PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Bilgi ve iletişim teknolojileri gün geçtikçe gelişmekte ve yenilenmektedir. Bu gelişmeler ile birlikte teknoloji, eğitim alanında kendine önemli bir yer bulmuştur. Mimari tasarım, mekânsal düşünme, imgelem ve modelleme sürecinde bilişim teknolojileri giderek eğitime dâhil olmaya başlamıştır. Mimarlık eğitiminde fikirlerin ve olguların aktarımında geleneksel olarak kalem, kâğıt ve buna ek olarak teknolojik gelişmeler ile birlikte 3B modelleme programları gibi çeşitli dijital araçlar kullanılmaya başlanmıştır. Tüm bu araçların ortak özelliği, 3B modelleri 2B düzlem üzerinde temsil etmeleridir.
Çalışmanın konusu, mimarlık öğrencilerinin görsel-mekânsal ilişkileri algılayarak mekânsal akıl yürütmeye dayalı bir ortamda, mekân kurgusu, mekânların topolojik ilişkileri, formun bütünü ve mekânsal detaylar üzerine olan algılarının incelenmesi ve değerlendirilmesidir. Çalışma kapsamında, mimarlık eğitiminde mekân ve mekân algısı, Sarmal Sanal Gerçeklik (SSG) ortamı ve 3B modelleme ortamları üzerinden incelenmiştir. Bu ortamlar, topolojik ilişkilerin algılanması, yeni ilişkilerin kurgulanması ve alternatif kurgularının geliştirilmesi bağlamında değerlendirilmiştir. Ayrıca, mekân kurgusu oluşturulurken renk kullanımının topolojik kurgunun algılanmasındaki yeri de diğer bir etken olarak araştırılmıştır.
SSG ve 3B modelleme ortamlarının mimarlık öğrencilerinin tasarım süreçlerine etkileri bir dizi tasarım deneyleri ile incelenmiştir. İki ortamın öğrencilerin tasarım sürecine etkileri, oluşturdukları mekânsal kurgular, topolojik ilişkileri algılamalarındaki farklılıklar ve ortamların esnekliği üzerinden değerlendirilmiştir. Bu deneylerin katılımcıları, İstanbul Teknik Üniversitesi, Mimari Tasarımda Bilişim yüksek lisans programına kayıtlı gönüllü on bir öğrencidir. Deneyler tamamlandıktan sonra öğrenciler ile bir anket yapılmıştır. Anket sonuçları, deney çıktıları ile birlikte incelenerek değerlendirilmiştir.
İlk deney için rengin, topolojik ilişkilerin algılanmasına olan etkisi araştırılmıştır. Bunun için 3B modelleme ortamında farklı geometrik formlara ve topolojik ilişkilere sahip küp biçimli parçalardan oluşan iki benzer model oluşturulmuştur. Bu iki benzer modelden biri renkli parçalardan oluşmaktadır. Diğer modelin parçaları tek renk olup, parçaların ayrıtları koyu ve kalın çizgilerle ifade edilmiştir. Deneye katılan öğrencilerden bu iki modeli ayrı zamanlarda SSG ortamında inceleyip 3B modelleme ortamında yeniden üretmeleri istenmiştir. Çalışma sonucunda, öğrencilerin renkli parçalardan oluşan modelin bütününü ve renkli parçaların birbirleri arasında kurulan ilişkileri daha iyi algıladıkları tespit edilmiştir. Rengin topolojik ilişkilerin algılanmasında ve parça-bütün ilişkilerinin ayırt edilmesinde önemli bir yeri olduğu söylenebilir.
İkinci deneyde, öğrencilerin SSG ve 3B modelleme ortamları kıyaslanarak hangi ortamda daha üretken oldukları ve ilişkileri daha iyi algıladıkları araştırılmıştır. Bunun yanında farklı ölçekleri bir arada kullanmalarının tasarıma etkisi değerlendirilmiştir. Araştırma için öğrencilerden, verilen ihtiyaç programı doğrultusunda bir sergi alanı tasarlamaları istenmiştir. Sergi alanı çeşitli işlevleri simgeleyen küp biçimli birimler ile tasarlanmıştır. Tasarımlar önce SSG, sonra 3B modelleme ortamında ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Verilen süre boyunca öğrencilerin üretebildikleri kadar çok alternatif kurgulamaları istenmiştir. Deney sonucunda öğrencilerin iki ortamda da ürettiği tasarımlar kendi içlerinde ve anket sorularına verdikleri yanıtlar ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Deney sonunda 3B modelleme ortamında, SSG ortamına kıyasla daha fazla alternatif üretildiği görülmüştür. Ancak SSG ortamında üretilen alternatiflerin, kurgulanan topolojik ilişkiler ve bu ilişkiler ile oluşturulan formlar bakımından daha çeşitli olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, SSG ortamında öğrencilerin yeni alternatifler geliştirmeleri konusunda daha üretken olduklarını gösterebilir. Ek olarak öğrencilerin anket sorularına verdikleri yanıtlar, SSG ortamına kıyasla 3B modelleme ortamında topolojik ilişkileri daha iyi algıladıklarını göstermektedir. Bu durum için 3B modelleme ortamında formun ve ilişkiler bütününün SSG ortamına göre daha iyi algılandığı söylenebilir.
Üçüncü deneyde, SSG ve 3B modelleme ortamlarındaki tasarım yöntemi farklılıklarının öğrencilerin tasarım çıktılarına olan etkisi araştırılmıştır. SSG ortamı, 3B modelleme ortamından farklı olarak esnek bir şekilde çizim yapma ve üretimleri farklı bakış açılarından görüntüleme imkânı vermektedir. Bu deneyde, ikinci deneyde üretilen sergi alanı kurgularının iç mekânları, ayrı ayrı iki ortamda da tasarlanmıştır. Tasarımlar arasındaki ifade farklılıkları ve tasarım ortamının esnekliği incelenmiştir. SSG ortamında yapılan üretimlerde, bu ortamda bulunan dinamik ve hareketli fırçalardan yararlanılarak sezgisel mekânlar oluşturulduğu görülmüştür. 3B modelleme ortamında ise çoğunlukla bitmiş bir proje niteliğinde tasarımlar üretilmiştir. Deney sonuçları doğrultusunda, SSG ortamının öğrencilerin tasarım sürecindeki üretkenliğini arttırdığı söylenebilir. Bunların yanı sıra, öğrencilerin anket sorularına verdikleri yanıtlar, iç mekândaki tasarımlarında mekânsal ilişkileri 3B modelleme ortamına kıyasla SSG ortamında daha iyi algıladıklarını göstermektedir. Bu durum, öğrencilerin SSG ortamında var olma duygusu hissederek ortama dâhil olduklarını gösterebilir. SSG ortamının, insan ölçeğinde, detaylı çalışmalar yapılacağı tasarım süreçlerinde 3B modelleme ortamına kıyasla daha avantajlı olduğu söylenebilir. Ayrıca, SSG ortamında hissedilen var olma duygusu sayesinde öğrencilerin daha yaratıcı ve esnek biçimde tasarım yaptıkları düşünülmektedir.
Deney sonuçlarına ek olarak deneylerde kullanılan HTC Vive Sanal Gerçeklik Gözlüğü (SGG) ve Oculus Rift SGG arasındaki farklılıklar anket soruları aracılığıyla değerlendirilmiştir. HTC Vive kumandalarına göre Oculus Rift kumandalarının sezgisel kullanıma daha uygun olduğu ve öğrencilerin kumandalara daha kolay adapte oldukları görülmüştür. Bunun sebebi Oculus Rift'in üzerindeki tuş ve tetiklerin konumları sayesine gerçek jestleri taklit eden bir kullanım sağlaması olarak gösterilebilir. Buna karşı, HTC Vive'ın kullanıcıyı her açıdan takip edebilmesi sayesinde daha güçlü bir sarmal deneyim sunduğu söylenebilir.
Sanal gerçeklik teknolojisinin, öğrencilere farklı bakış açıları kazandırma, 3B düşünceyi geliştirme ve var olma duygusunu tasarım sürecine yansıtma yönleri ile eğitim ortamlarına, özellikle mimari tasarım stüdyolarına dâhil edilmesinin olumlu olacağı söylenebilir. Tasarım, sürekli değişen ve kendini yenileyen bir alan olduğundan, eğitimde güncel medyalardan ve yeni teknolojilerden faydalanılmasının tasarım disiplinini geleceğe taşımak konusunda oldukça önemli olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Information and communication technologies are developing and renewing day by day. With these developments, technology has found itself an important place in the field of education. In the architectural design process, information technologies for spatial thinking, imagination, and modeling have increasingly become included in education. In the transfer of ideas and facts in architectural education, various traditional tools such as pencil, paper and in addition to technological developments along with 3D modeling programs have been used. The common feature of all these tools is that they represent 3D models on a 2D plane.
The aim of this study is to examine and evaluate the students' perceptions about spatial reasoning, topological relations of spaces, understanding a form as a whole, and spatial details in an environment based on spatial reasoning by perceiving visual-spatial relations. In the context of the study, space and perception of space in architectural education are examined within the framework of perception of topological relations, development of new topological relations and development of alternative designs in both immersive virtual reality (IVR) and 3D modeling environments. In addition, the use of color in the perception of topological relations are also investigated. In the scope of architectural education, the effects of digital models and IVR environments in the process of perceiving and creating spatial constructs and topological relations are examined with the series of design experiments.
The effects of IVR and 3D modeling environments on architecture students' creation of spaces, the perception of topological relations and architectural design processes are examined with a series of design experiments. The eleven participants of the experiments are selected from graduated volunteer students enrolled in Architectural Design Computing program at Istanbul Technical University. After the experiments were completed, a questionnaire is conducted with the students. The results of the survey are evaluated together with the experiment outcomes.
In the first experiment, the effect of color on the perception of topological relations is investigated. For this purpose, two similar models are formed in a 3D modeling environment consisting of cube-shaped pieces with different geometric forms and topological relations. One of these two similar models consists of colored pieces. The parts of the other model are monochrome, dark and thick colored lines represent the edges of the pieces. The students who participated in the experiment are asked to observe these two models in IVR environment at different times and to reproduce them in 3D modeling environment. As a result of the study, it was seen that students distinguished the color model better as a whole and perceived the topological relations between each colored pieces better. It can be said that color has an important role in the perception of topological relations and in the differentiation of part-whole relationships.
In the second experiment, IVR and 3D modeling environments are compared. It is investigated in which environment the students were more productive and in which environment the students perceived topological relations better. The effect of the use of different scales together on their design tasks has been investigated. For this experiment, the students were asked to design an exhibition space in line with the given requirement list. The exhibition space is designed with the basic cube units. Various functions that are an exhibition area, semi-open exhibition area, foyer, storage space, office space, and restroom, are assigned to these different colored cubes. The design studies are carried out separately in the 3D modeling environment and IVR environment in 15 to 20 minutes. During the given time span, students were asked to construct as many alternatives as possible. Students used Google Blocks to design in IVR environment, and choose the 3D modeling program that they are good at to design in 3D modeling environment. Google Blocks application is chosen because of its resemblance to the 3D modeling programs. Users can easily create geometric forms, move them, scale them and rotate them in Google Blocks. At the end of the experiment, the models designed by the students in two environments are examined by comparing them to each other. Results are also compared with answers obtained from the survey. As a result of the experiment, it was observed that more alternatives were produced in 3D modeling environment than IVR environment. However, it is seen that these alternatives contain similar topological relationships. Furthermore, it was determined that the alternatives produced in the IVR environment had a higher variety of topological relationships. Furthermore, it is observed that students added some features to enrich the design alternatives such as canopies, terraces, atriums and so on. For example, a student has produced two designs in IVR and six designs in the 3D modeling environment.  Designs of the foyer, office space, storage space, and restroom relationships are quite similar in 3D modeling environment. In addition, the form that set up from the topological relationships is preserved and used in the other designs without changing. Also, it is seen that only a couple of terraces are added as an enrichment feature in 3D modeling environment. On the other hand, design alternatives are completely different from each other in IVR environment. Also, it is seen that student added some features like canopies and terraces in order to enrich the designs. Finally, responses obtained from the questionnaire are added to the evaluation of the experiment results. Most importantly, it is found that students perceived topological relations better in 3D modeling environment than IVR environment. For this situation, it could be said that 3D modeling environment is more advantageous than IVR environment when it is important to perceive the model as a whole or to understand the design from a wider perspective.
In the third experiment, IVR and 3D modeling environments are compared to understand and examine the effect of design method differences on students' designs. Students are asked to design an interior of an exhibition area in IVR and 3D modeling area at separate times in 15 to 20 minutes. The interior spaces of the exhibition areas that produced in the second experiment are selected for the interior design challenge. Design expression differences and flexibility of the media are examined. Google Tilt Brush application is used to design in IVR environment. Students have chosen the 3D modeling program that they are good at to design in 3D modeling environment. Unlike 3D modeling environment, IVR environment allows users to make flexible drawings or sketches in 3D space. Google Tilt Brush allows users to sketch in an infinite environment. In addition, this application has dynamic and live brushes for immersive drawings. In the IVR environment, intuitive spaces are created with dynamic and active brushes. It is observed that students added routes to explain how to walk in the exhibition area. Also, it is seen that most of the students drew some plants or trees inside and outside of the working area. Furthermore, it is encountered that students sketched some impressions of the furniture or artworks. Some of the students used calligraphy to emphasize the entrance. In the 3D modeling environment, designs have been produced are looked like a finished architectural project presentation. It is seen that most of the students added real-looking furniture. Some of the students added plants or trees inside and outside of their working area. There were only two students, who designed a route for the exhibition area. None of the students used calligraphy in their designs.  According to the results of the experiment, it is possible to conclude that IVR environment increases productivity. Furthermore, IVR environment has provided a flexible and immersive experience for students. In addition, students stated in the questionnaire that they perceived the topological relations in the interior of the building better in the IVR environment compared to the 3D modeling environment. This situation may indicate the importance of the feeling of presence in the IVR environment. It can be said that feeling of presence gave student different point of views which led students to be more creative. It can be said that IVR environment is more advantageous in terms of perceiving topological relations on a human scale and making flexible designs with the feeling of presence.
In addition to experiments, differences of headsets are investigated. HTC Vive and Oculus Rift are tools that create immersive experiences. HTC Vive and Oculus Rift consist of two controllers, one headset and two base stations for Vive and two sensors for Oculus. These two headsets are similar in terms of usage but slightly different in terms of technology. HTC Vive base stations are hanged diagonally to track the user's head and hand movements using Bluetooth technology. Oculus Rift sensors located two sides of the laptop to track user's head and hand movements using infrared technology. HTC Vive present users 360° tracking in the play area. However, Oculus Rift presents users 180° tracking in the play area with two sensors. It can be enhanced to 360° with an additional third sensor. In this sense, it can be said that HTC Vive is more useful compared to Oculus Rift. On the other hand, controllers of these two headsets are quite different. HTC Vive controllers are more like stick shaped, and Oculus Rift controllers are more fitting to hands. In addition, triggers and buttons of the Oculus Rift controllers have touch sensitive. This feature gives realistic hand sense to users. Realistic hand sense increases the immersive experience in IVR environment. Moreover, responses obtained from the questionnaire support this suggestion. Most of the students said that Oculus Rift controllers are easy to use compared to HTC Vive.
It is observed that IVR environment has potential in architectural design education. Experiments show that designing in IVR enhances students' productivity and gives students a different point of views to look at and improve their designs. In addition, it can be said that the flexible interface of the IVR environment, especially with the dynamic features of Tilt Brush, provides students to think outside of the box and boost their creativity. This can show that IVR has a place in architectural education other than just viewing completed projects.
All an all, it can be concluded that the contribution of VR technology to educational environments, especially architectural design studios, will contribute to the design and design education in terms of adding different perspectives to students, developing 3D thinking, adding the feeling of presence to design. Since the design is an ever-changing and self-renewing area, use of current media and new technologies in education is very important in carrying the design into the future.