Oyun motorlarının mimarı tasarım ve temsil süreçlerinde değerlendirilmesi
Evaluation of game engines in architectural design and representation processes
Yazar: OSMAN SÜMER
Danışman: PROF. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mimarlık = Architecture

Özet:
Yazılım ve donanım ortamlarındaki teknolojik gelişmeler, mimari tasarım ve temsil süreçlerini doğrudan etkilemektedir. Bilgisayar destekli tasarım ortamlarındaki gelişmelere bağlı olarak modelleme ve hesaplamalı tasarım yazılımlarının kullanımı, tasarım üretme süreçlerinde farklı yaklaşımlara olanak sağlamaktadır. Üretimlerin bilgisayar ortamlarında yapılması, temsil süreçleri ile tasarım süreçlerinin bütünleşik kurgusunu ortaya çıkarmaktadır. Ürünün tasarım sürecinde tasarımcı ile kurmuş olduğu ilişki, bilgisayar ortamındaki 3 boyutlu modelleme, yapı bilgi modelleme ve diğer CAD sistemleri üzerinden gerçekleşmektedir. Tasarım sürecindeki üretimler ile ilgili iletişimi sağlayan temsiller, üretimin yapıldığı çoklu ortamların olanakları doğrultusunda şekillenmektedir. Farklı yazılım ve donanım özelliklerinin kullanıldığı temsil süreçlerine bağlı olarak iletişim biçimleri ve sağlanan bilgi niteliği de değişkenlik göstermektedir. Mimari tasarım araçlarının kullanıldığı ortamlardan aktarılan bilgiler kullanılarak üretilen mimari temsiller, gelişmekte olan bilgisayar grafikleri yardımıyla yapıların gerçeklik kurgusuna uygun üretimlerinin sayısal ortamlarda deneyimlenmesine yardımcı olmaktadır. Bu deneyimler doğrultusunda tasarım ürünü veya temsillerin algılanma biçimindeki değişimlerin tasarlama süreçlerine olan katkısı tez kapsamında değerlendirilmiştir.
Rönesans döneminde perspektif temsillerin inşa etme ve tasarlama süreçlerine dahil olması, iletişim ortamlarının tasarımın ve üretimlerin algılanması üzerindeki etkisini değerlendirmekte önemli bir örnektir. Üretilecek mekan ile ilgili temsil ortamında meydana gelen yöntem değişikliği iletişim ortamını değiştirmekle kalmamış, yapıların üretim süreçlerini de etkilemiştir. Tasarımın inşa edilme süreçlerinin soyut ortamlardaki temsiller aracılığıyla yapılması, tasarıma yönelik temsilleri üretimden bağımsız düşünelemez bir noktaya taşımıştır. Temsil içeriğindeki ve özelliklerindeki değişim, düşünme ve tasarlama eylemlerinin daha sistemli olarak gerçekleşmesine olanak sağlayarak, çizim ortamlarının gelişmesine yardımcı olmuştur. Bu sayede, mimari mekanların temsilinin gelişimi, yeni iletişim ortamları üzerinden günümüzde kullanılan konvansiyonel temsil yöntemlerinin geliştirilmesine olanak sağlamıştır.
Mekanların bilgisayar destekli ortamlar kullanılarak üretilmesi üzerinden geliştirilen iletişim metodu, yazılımlar arasında bilgi akışına ihtiyaç duymaktadır. Kullanılan modelleme ve temsil araçları günümüz mimarlık üretimlerindeki iletişimi sağlarken, bu üretimler benzer yöntemler kullanılarak yapılmaktadır. Bu benzerlik tasarım bağlamındaki benzerlik ve temsillerin benzerliği olarak öne çıkmaktadır. Süreçler, farklı tasarım problemlerine, aynı araçların ve yöntemlerin çözüm olgularının hakimiyeti ile gerçekleşmektedir. Tez, tasarım ve temsil süreçlerinin yazılım ve donanım olarak farklı ortamlarda değerlendirilmesini sorgulayarak, bu süreçlere katkıda bulunmayı amaçlamaktadır. 3 boyutlu modelleme arayüzleri, CAD çizim ortamları ve görselleştirme araçları mimarlık üretimlerinin sınırlarını belirlemektedir.
Yeni yöntemlerin tasarım ve temsil süreçlerine kazandırılması, mimarlığın üretimine yeni bakış açıları getirmek için olanak sağlayan bir eylemdir. Yeni üretim modellerinin geliştirilmesi, mevcut süreçlerin bilgisayar ortamındaki performans analizleri düzlemini temel alarak sağlanmıştır. Araç olarak kullanılan yazılımların, tasarım ortamlarına bilgi aktarımındaki farklılıkları değerlendirilmiştir.
Tezin ilk bölümünde günümüz mimarlık üretimlerine dahil olan yazılımların ve bilgi aktarımlarının yöntemleri konuları incelenmiştir. İletişim ortamlarındaki değişim ve gelişimlerin, günümüzde konvansiyonel mekanizmalar haline gelen yazılım kullanımları ile ilişkisi sorgulanmıştır. Buna bağlı olarak yazılım ve donanıma bağlı bilgi ve deneyim gerekliliklerinin nesne odaklı tasarım süreçlerine etkisi araştırılmıştır. Üretim süreçlerinde kullanılan yazılımlar tasarımcı ile sürekli bilgi alışverişi halindedir. Tasarımın anlatıldığı kişiler ise tasarımı temsiller üzerinden algılar. İş akışında tasarımcıyla ve tasarımın anlatıldığı kişileri aynı ortama dahil edebilmek üzerine değerlendirmeler yapılmıştır. Temsiller üretilirken bilgisayar destekli tasarım ortamlarında farklı dosya uzantıları ve arayüzler arasında geçiş yapılmaktadır. Oyun motoru kullanılarak, farklı yazılımların kullandığı değişken formatlar yerine, .exe uzantılı dosya üretimleri değerlendirilmiştir. Oyun geliştirme platformları tanıtılarak, özellikleri ve örnek üretimleri gösterilmiştir. Oyun motorlarının kullanımı ile yeni bir üretim modeli geliştirerek, temsil ve tasarım süreçlerini yeni bir ortam üzerinden deneyimlemek amaçlanmıştır.
Tezin ikinci bölümünde tartışılan, oyun motorlarına mimari model bilgisinin aktarımı sağlanarak, bu yeni ortam üzerinden tasarım ve temsil süreçlerine yardımcı kurgular oluşturmaktır. TU Eindhoven Masterproject tasarım stüdyosunda 3dsMax modelleme program kullanılarak üretilen model fbx formatına getirilerek Unity oyun motoruna aktarıldı. Gerçekçi görsel üretimleri sağlanırken, ışık, doku ve malzeme özellikleri bilgisayar ortamında modelleme arayüzünde belirlenerek render motoruna aktarılmakta, veya direkt olarak modelin aktarıldığı render moturu kullanımı ile sağlanmaktadır. Bu bölümde oyun motoruna aktarılan modelin malzeme ve ışık üretim testleri gerçekleştirilerek açıklamaları yapılmıştır. Görsellerin ikna edici kalitedeki üretimlerinin sağlanması için, farklı ışık ve malzemelerin eş zamanlı testleri oyun motoru arayüzünde üretilerek yeni bir iş akış şeması üzerinden değerlendirme yapılmıştır. Oyun geliştirme alanında kullanılan bilgisayar grafiklerindeki üretim teknikleri kullanılarak, 3 boyutlu modelleme programları ve render motorlarından farklı bir aydınlatma ve doku uygulaması ile model üzerindeki değişiklikler eş zamanlı olarak sağlanmıştır. Post Processing süreçlerindeki görsel düzenlemeler, farklı yazılımlar kullanılmadan, oyun motoru arayüzündeki özellikler ve Visual Studio destekli kodlamalar kullanılarak sağlanmıştır.
Tezin üçüncü bölümünde, oyun motorları kullanılarak .exe uzantılı uygulama dosyası geliştirme ile ilgili teknik bilgiler sağlanmıştır. Oyun geliştirme ortamlarında yaygın olarak kullanılan FPS (First Person Shooter) modunda üretilen uygulamada, kullanıcıya sanal bir ortamda etkileşimli bir deneyim sunulmuştur. Bu üretim sağlanarak, yapının sanal ortamda tecrübe edilmesini gerçekçi bir kurguyla sunmak amaçlanmıştır. Gelişen sanal gerçeklik teknolojileri oyun üretimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yeni medyanın mekan algısındaki etkisi ve üretime olan katkısı ile ilgili olanaklar incelenmiştir. Gerekli yazılım (Steam VR, VR oyun motoru ayarları, SDK vb.) ve donanım (HTC Vive) destekler sağlanarak, sanal gerçeklik uygulama üretimine uygun teknik gereklilikler oyun motoru özellikleri kullanılarak aktarılmıştır. Oyun motoruna aktarılan model kullanılarak sanal gerçeklik gözlüğü ve ekipmanları ile deneyimlenebilen uygulama üretimi gerçekleştirilmiştir.
Farklı dosya formatları arasındaki geçiş ile temsillerin üretilmesi ve görüntülenmesi süreci, tezin dördüncü bölümünde yeniden ele alınarak, tek uygulama platformundan farklı temsillere erişimi sağlayan bir arayüz geliştirmek amaçlanmıştır. Bu arayüzün kullanımı ile temsil ortamlarına yeni bir yaklaşım getirebilmek, kullanıcı ile etkileşimli bir oyun tasarımı üzerinden, konvansiyonel temsillerin görüntülenebildiği .exe uzantılı bir uygulamaya farklı bilgisayarlardan yazılım desteği olmadan erişimi sağlamak ve temsil üretmeye yardımcı yazılımların formatlarına olan zorunluluğu ortadan kaldırmak amaçlanmıştır. Mimari tasarım stüdyolarında ve profesyonel alanlarda bu temsil yönteminin kullanılmasının, belge üretim süreçlerini de değiştirebilieceği öngörülmüştür. Mimari temsillerin basılı belgeler üzerinden değerlendirilmesi ve mimari tasarım iletişimlerinin bu ortamdan sağlanmasının kağıt tüketimine bağlı süreçlerine bir alternatif önerilmiştir.
Sonuç bölümünde oyun motorları kullanımıyla sağlanan farklı temsillerinin üretimi ile, günümüzde kullanılan yazılımlar ile üretilen temsillerin, teknik gerekliliklerinin ve sonuçlarının karşılaştırmaları yapılmıştır. Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen temsillerin dosya boyutlarındaki değişimin, geliştirilen tasarım ve temsil üretim modeli ve mimari tasarım endüstrisinde yaygın olarak kullanılan yazılımlar kullanılarak üretilen modeli üzerinden değerlendirmesi yapılmıştır. Tasarım ve temsil süreçlerinde kullanılan farklı dosya formatları ve uzantılarına alternatif çözüm önerisi olarak oyun motoru kullanımı ile sağlanan tekil dosya sistemi önerilmiştir. Eş zamanlı üretim olanaklarına uygun biçimde tasarlanan oyun motorları ile render motorları arasındaki teknik gereklilikler de bu bölümde tartışılmştır. Temsil ile iletişim kurulurken, görsel üretimler ve animasyonların kullanıldığı profesyonel ve akademik ortamlara, bilgisayar ile etkileşimli bir temsil ortamı önerisi getirilerek, tasarımın deneyimini geliştirmek amaçlanmıştır. İnteraktif temsil ortamında kullanıcı, gözleyici olmanın ötesinde, temsilin biçimsel içeriğine de müdahele edebilmektedir. Bu etkileşim hem eş zamanlı serbest dolaşım olanakları, hem de geliştirilen arayüz tasarımında temsiller arasındaki geçiş olanakları kullanılarak sağlanmıştır. Gelişen teknoloji ile mimari temsil ve tasarım ortamları, bilgisayar destekli donanımlara bağlı olarak gelişmektedir. Dijital ekran, panel ve projeksiyon gibi görsel temsillerin yapıldığı donanımlara, oyun motoru kullanımı ile sağlanan temsillerin ve tasarım süreçlerinin eklenmesi hedeflenmiştir. Sürdürülebilir ve yenilenebilir donanımların bu süreçlere dahil olması kurgusu, basılı belge ile olan iletişim ortamının gerekliliklerine çözüm üretmektedir. Tez bu kapsamda gelecekteki kullanım kurgusunu ve önerilen iş akış şemasının temsil ve tasarım ortamlarına katkısını içeren senaryoları türetmiştir. Oyun motorları yenilikçi ve verimli çözümlerle dijital içerik üretimlerine katkı sağlamaktadır, sadece bir görselleştirme aracının ötesinde düşünülerek algılanmalı ve araştırılmalıdır.

Abstract:
The process of architectural design and representation is directly affected by the developments in software and hardware industries. Use of modelling and computational design softwares provides new approaches to design processes thanks to developments in computer aided architectural design tools. Architectural design and representation processes are integrated as modern era designs are produced in computer environment. In other words, the design and representation are conceived and perceived from the same medium during the processes of creation. Thus, the representation and design are continuously in a relation while designer performs the act of making. The relationship between design product and designer during the process of design is established by the use of 3D modelling, building information modelling and other CAD systems. To provide communication in the process of design, representations are the key tools and these mediums (CAD systems) are framing the production of representation regarding the limits of their own. Depending on the softwares and hardwares used in the process, the type of communication and the quality of information provided are varying. The representations that are derived from the data generated in architectural design tools, are becoming better at creating the illusion of reality in digital environment experiences by virtue of technical developments in computer graphics. In accordance with these experiences, the perception of design product and its representation show an alteration. Hence, the thesis evaluates the difference in perceptions and look for possible outcome for design and representation processes.
To introduce new technique in called "perspective" to processes of design and construction in era of Renaissance, is a valuable example of how communication mediums could influence the perception of design and production. The change in the method being used to represent the space to be built, not only revised the communication medium but also transformed the way buildings are constructed. The representations in abstract mediums are the tools for the process of constructing the design. Accordingly, the representation and production cannot be thought separately. The change in the context and property of representation, put the act of thinking and designing in more systematic scheme and administered improvements in drawing mediums. Thus, the advancement in the representation of architectural space enabled new communication mediums and assisted the invention of conventional representation methods (section, elevation, plan, isometric etc.).
The communication method through creation of spaces guided by computer aided mediums, needs data transfer among various softwares. Although the software names and companies might differ, intermediate communication mediums that are modelling and representation tools use similar methods to create architecture. The similarity occurs in architectural design and representation design at the same time. Processes are answering different design problems with the use of similar methodology bounded by similar appliances. Thesis is evaluating the uses of different software and hardware implementation through the design and representation processes to contribute for a potentially better workflow. Modelling and visualization tools are limiting the architectural design processes through the boundaries of software. Bringing new methods to processeses, could enhance prospects of architectural design by providing new point of view to designers. While developing new production methods, the current methods were evaluated in terms of performance presented in computer environment. The softwares as tools, were examined with regard to differences in information translated to design medium.
In the first part of thesis, todays modern architectural design softwares and their information transferring methods are investigated. The relationships between communication medium developments and conventional use of softwares are questioned. Depending upon developments, technical skills and experience are required to use advanced software and hardware systems. The influence of technical knowledge requirement is examined through the object-oriented design processes. On the other hand, the softwares that are being used during design processes are provide information to designer, but the audience gathers information from the representation. The integrated workflow for both designer and the audience is questioned. The production of representation requires translation among softwares and file extensions are different for each software to read the given data. At this point thesis proposes a single file format for representation which is an executable file format (.exe) that can be opened in any computer without need of any specific software. In order to be able to create .exe files the game engines are integrated to design and representation processes. Furthermore, different game engines, technical capabilities and games are introduced in this part as well. A new medium experience for design and representation is achieved by integration of game engines through the production process.
In the second part of the thesis a practical approach is performed and explained using Unity game engine. The model created in 3dsMax for TU Eindhoven Masterproject Studio course is used in fbx format to be transferred into Unity game engine. Realistic architectural visualisations are created with the advanced use of lighting and material techniques. The application of both can be done in modelling environment to be extracted through render engine, or directly applied in render engines with exported model. Real-time applications of lighting and material tests on model are examined to achieve an alternative visualization and design oriented workflow. Game engines are evolving with computer graphics technologies, new techniques that are used in game production in fields of realistic lighting and material creation are applied to imported model. To avoid the use of external softwares for image-video editing, integrated post processing and Visual Studio aided coding mediums are used for image processing in real time simulations.
In the third part of the thesis, information for creating .exe application file and technical background information is provided. One of the most widely used game production method (FPS), is being introduced and interactive digital simulation experience is created. As a result, an illusion of built environment in digital medium is perceived by user. Because developments in Virtual Reality (VR) is offering an immersive experience, game engines are started to accommodate assets for creation of VR games. This new medium is explored and possible benefits for space perception and agency for design methods are investigated. Technical requirements for software (Steam VR, VR SDK etc.) and hardware (HTC Vive) are fulfilled and VR game is build using the same 3D model for creating FPS game. VR headset and controllers are used to navigate in virtual environment.
In the fourth part of the thesis, translation through different softwares and file extensions during production of representation are re-evaluated and creation of an application to switch between different conventional representations (section, plan, perspective etc.) is aimed. The application consist of buttons to navigate different views from the model. An interface design for representation application aspire to create an interactive media that is an executable file (.exe) that is available for any computer without any need for a software support. In architectural design studios and in professional practice, the application offers a change in the way documentation is being made. In architectural schools and in professional practice(in offices, in construction sites etc.) people still use printed documents to communicate. The interface design to represent architecture have a potential to develop and replace the former documentation for drawings.
In the conclusion part of the thesis, the technical requirements and results of representation processeses are inspected. The file size of representation processeses including translations among softwares and using game engine are compared. As stated before, the type of file extensions are vary in conventional use of softwares however the game engine provides an .exe file when the application is built. The advantage of avoiding different formats are argued in this part. Real time rendering solutions in render engines and game engines tested in terms of hardware and software requirements. Moreover, the game engines not only performs well in performance but also provides an immersive virtual environment which delivers a better experience of design with an interactive digital media. The representations are mostly used in forms of drawings, renderings, visualizations and animations however use of game engines introduces a new method that the formal content of representation is updated and changed when user is experiencing VR, FPS and Architectural Representation Interface Design applications are created in thesis. Furthermore, the digital screens are expected to replace printed documents and at this point thesis creates a fiction of future use that enables users to experience design and representation processes through screens. Therefore, more sustainable and interactive method of representation is proposed that have the potential to enhance design possibilites as well. Use of game engines is an innovative and efficient method of digital content creation, they worth to be researched and examined in design processes other than just being used as visualization tool.