The Use Of Local Data In Architectural Design Through Augmented Reality

Abstract

Doğası gereği mimarlık, yer ile doğrudan ilişkili bir tasarım alanıdır. Tasarımın gerçekleştirileceği alandaki veriler kullanılarak, mimari gereksinimleri karşılayan yerleşimler ve mekansal çözümler üretilmektedir. Mimari tasarımda veri toplama ve veri analizi, kavramsal tasarıma başlarken mimarın alana yönelik mevcut durumu kavraması için temel gerekliliklerdir. Bu nedenle alan ziyareti, mimar için büyük önem taşımaktadır. Mimarlık disiplini içerisinde yıllar boyunca mimarlar, tasarıma girdi olarak kullandıkları verileri alandaki araştırmalarına dayalı olarak birebir gözlemledikleri durumlar üzerinden sağladılar. Bu durum günümüzde değişen ve gelişen veriye erişim yöntemleri ile alana yönelik verileri toplamak için yetersiz kalmaktadır. Diğer taraftan mevcut durumda bu verilerin değerlendirilmesi için de mimarın fiziksel olarak alandan ayrılması gerekmektedir. Devam eden tasarım süreci içerisinde mimar, alanın kendisinden kopuk bir sürece girmektedir. Analiz için toplanan verileri sınıflandırarak, görselleştirerek ve haritalandırarak kavramaya çalışmaktadır. Mimari tasarım, bu doğrultuda alanın ve çevreleyen bağlamın analizine dayalı olarak geliştirilmektedir. Bu süreç içerisinde mimarın farklı kaynaklardan veri edinmeye ve bağlamın gerçekliğinden koparılmış olarak alanı değerlendirmeye çalışması; verinin erişilebilirliği, doğruluğu ve konumu ile ilgili sorunlara neden olmaktadır. Mimarın topladığı verileri sınıflandırmasında genel geçer kabul görmüş bir veri sınıflandırma sistemi olmaması da önemli bir eksikliktir. Tez çalışması bu problemlere odaklanarak yerel veri kavramı üzerinden artırılmış gerçeklik aracılığıyla çözüm sunmayı amaçlamaktadır. Tez kapsamında öncelikle yerel veri kavramı incelenerek çalışmanın kuramsal altyapısı ortaya konulmuştur. Bir sonraki aşamada mimari tasarımda artırılmış gerçeklik aracılığıyla konum tabanlı veri temsilinin literatür üzerinden incelenmesi ve değerlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar doğrultusunda mimari tasarımda artırılmış gerçeklik aracılığıyla yerel veri kullanımı sunan model geliştirilmiştir. Tez çalışmasının yapısal biçimlenişi de bu kapsamda ilerleyerek; kuram, değerlendirme ve model odaklı bölümlerin birbirlerini tamamlayan yapıları ile bir bütüne dönüşmüştür. Giriş kısmı birinci bölümde, araştırma problemi tanımlanarak araştırma soruları belirlenmiş, çalışmanın amacı ortaya konularak bu doğrultuda tezin kapsam ve araştırma metodolojisi geliştirilmiştir. Kuram odaklı ikinci bölüm, mimari tasarımda alana yönelik ihtiyaç duyulan veriyi yerel veri yaklaşımı altında ele almaktadır. Öncelikle veri, enformasyon ve bilgi ilişkisinin daha iyi kavranmasını sağlayacak göreceli bir perspektiften elde edilen yaklaşım ortaya konulmuştur. Algılanan herhangi bir şeyin potansiyel olarak ifade ettiği en ilkel biçim olan enformasyon, bilgiye dayalı bir protokol aracılığıyla bilişsel bir sistemde anlam kazanmaktadır. Bu sayede oluşan bilgi, kişinin aklındaki bir sentez ürünü olarak, kişisel algılar ve deneyimlerle şekillenmektedir.Veri ise kişiden bağımsız olarak bilgi temelli bir yapıyla temsil ortamında enformasyonu ya da bilgiyi tutmanın, depolamanın ve aktarmanın yoludur. Bu yaklaşıma göre temsil ortamında 'veri', gerçeklikte 'enformasyon' veya akılda 'bilgi' olma durumları ortaya çıkmakta ve birbirleriyle döngüsel bir ilişki göstermektedirler. Bu kuramsal çalışma sayesinde veri teriminin, enformasyon ve bilgi terimleriyle birbirlerinin yerine kullanımının önüne geçmek, bilimsel çalışmalarda kullanımını doğru ifade etmek hedeflenmiştir. Verilerin kökeni incelendiğinde her verinin doğal ya da kültürel referanslar taşıdığı görülmektedir. Doğal veri, doğanın bir parçası olma durumundan kaynaklanırken; insan ve doğa arasındaki etkileşimin bir sonucu olarak ortaya çıkan veriler ise kültürel verilerdir. Antroposentrik bir bakış açısıyla insan, doğal ve kültürel varlıkları içeren verilerin ortaya çıkmasında ana etken olarak görülmektedir. Bu durum, temel sınıflandırmanın 'doğal' ve 'kültürel' kategoriler altında düzenlenerek, mimarlık ile de ilişkilendirilebileceğini göstermiştir. Mimarlık doğrudan yer ile ilişkili bir disiplin olduğundan, sınıflanan doğal ve kültürel verinin yerel bağlamında tartışılması gerekmektedir. Belirli bir yerle ilgili olma anlamındaki 'yerel' ile doğal ve kültürel referanslar taşıyan'veri' kavramları birlikte ele alındığında mimarlık için 'yerel veri' oluşmaktadır. Bu kapsamda, mimari tasarımda yerel verilerin doğal ve kültürel kategoriler altında sınıflandırılmasında bir çerçeveye ihtiyaç duyulmaktadır. Mimari tasarımda kullanılan verilere ilişkin olarak literatürde öne çıkan mimari çalışmalar, planlama çalışmaları ile mimarlık ve planlama alanlarındaki yasal düzenlemeler bir veri çerçevesi oluşturmak için değerlendirilmiştir. İncelenen çalışmalardaki veri türleri biraraya getirilerek, alt kategorilerin birbirleriyle ilişkilerine göre kümelenmeleri sağlanmıştır. Çalışmada ortaya konulan yerel veri çerçevesinde, 'doğal veriler' kategorisi topografya, jeolojik özellikler, su kaynakları, bitki örtüsü, iklim, vahşi yaşam ve koruma alanları, biyolojik çeşitlilik ve doğal afetler kategorilerinde; 'kültürel veriler' kategorisi alan kullanımı, yapılı çevre, altyapı, mevzuatlar, sosyal çevre, erişilebilirlik, duyusal özellikler ve tehlikeler kategorilerinde biraraya getirilmiştir. Bu sınıflandırmadaki veri kategorilerinin de alt kategorileri bulunmaktadır. Yerel veri çerçevesi, açık bir sistem olarak gelişime açıktır. Yeni veri tipleri türediğinde sınıflandırma sistemi genişleyebilmektedir. Bu çerçeveyi, farklı sınıflandırma yaklaşımlarına bağlı olarak farklı biçimlerde ortaya koymak da mümkündür. Bu sayede verilerin sınıflandırılmasıyla, mimari tasarımda yere ilişkin verilerin ele alınmasında sistematik bir yaklaşım sağlanmaktadır. Değerlendirme odaklı üçüncü bölümde, mimari tasarımda artırılmış gerçeklik aracılığıyla konum tabanlı veri temsilinin literatür araştırması yapılmıştır. Artırılmış gerçekliğin karakteristikleri ve bu karakteristiklerine dayalı gereksinimleri incelenmiştir. Gerçek ve sanal ortamı bir araya getiren görüntüleme, eş zamanlı etkileşim sağlayan arayüz ve 3 boyutlu hizalanmayı gerçekleştiren takip bileşenleri artırılmış gerçekliği ortaya koymaktadır. Video, optik ve projeksiyon temelli görüntüleme teknikleri ile başa takılan, elle tutulan ve uzamsal görüntüleyicinin konumuna dayalı olarak aygıtlarla görüntüleme gerçekleşmektedir. Enformasyon tarayıcılar, 3 boyutlu kullanıcı arayüzü, somut kullanıcı arayüzü, doğal kullanıcı arayüzü ve çoklu model arayüzü olarak gruplanan farklı arayüzler vasıtasıyla kullanıcı ile aygıt arasında etkileşim kurulmaktadır. Sensör tabanlı, görme tabanlı ve hibrit takip teknikleriyle kullanıcının bakış açısına göre sanal içeriğin gerçek ortamda hizalanmasını sağlamaktadır. Artırılmış gerçekliğin temel yapısından sonra, artırılmış gerçeklik sistemlerinde konum tabanlı veri temsili incelenmiştir. Konum tabanlı artırılmış gerçeklik yaklaşımı, verilerin yerinde temsil edilmesine olanak sağlamaktadır. Bu yaklaşım doğrultusunda, literatürde alana sağladıkları katkılar ile öne çıkan uygulamalar detaylı biçimde ele alınmıştır. MARS, Archeoguide, VIDENTE, CityViewAR, AREA ve BIM based AR uygulamaları çalışma kapsamında incelenmiştir. İnceleme sonucunda, ilk uygulamalardan günümüzdeki gelişmelere kadar yer alan konum tabanlı artırılmış gerçeklik uygulamalarının önemi ve bileşenleri değerlendirilmiştir. Uygulamalar incelendikten sonra, mimari tasarım alanına yönelik olarak potansiyel katkıları ve uygun bileşen yapıları tartışılmıştır. Değerlendirme yapıldığında, verilerin yerinde temsili, kullanıcının veri ile doğrudan etkileşime geçmesi, görünmeyen durumdaki verilerin sunumu, çevreleyen verilerin hızlı bir biçimde gözden geçirilmesi, kentsel ölçekte veri sunumu, geçmişe ve geleceğe ilişkin durumların görselleştirilmesi, analiz edilebilir şekilde yapılandırılmış veriler içerme ve mimari uygulamalar için düzenlenebilir uygulama altlığı sağlama açısından uygulamalara katkılar sunabileceği görülmektedir. Aynı zamanda görüntüleme, arayüz ve takip bileşenleri açısından, artırılmış gerçeklik alanındaki hangi bileşenlerin konum tabanlı artırılmış gerçeklik sistemlerine uygun olduğu belirlenmiştir. Görüntüleme bileşeni açısından, video görüntüleme tekniğini kullanan elle tutulan görüntüleyiciler, yaygın erişime sahip olduğundan günümüzde tercih edilen görüntüleme aygıtlarıdır. Diğer taraftan, başa takılan görüntüleyicilerin eller serbest bir biçimde daha doğal bir çalışma ortamı sağladığından gelecekte daha fazla tercih edilebileceği düşünülmektedir. Arayüz bileşeni açısından ise enformasyon tarayıcıların, konum tabanlı artırılmış gerçeklik sistemlerinde temel arayüz olarak kullanıldığı görülmektedir. Bu arayüzün görevi veritabanlarından sağlanan veriyi tarayıp, ilgili konuma artırılmış gerçeklik aracılığıyla görselleştirmektedir. Takip bileşeni açısından incelendiğinde ise GPS ve akselerometre sensörlerine dayalı hibrit takip sistemlerinin, sanal ve gerçeğin hizalanmasında bir gereklilik olduğu ve görme tabanlı takiple de güçlendirilebileceği görülmüştür. Model önerisi geliştirilen dördüncü bölümde, mimari tasarımda yerel veri kullanımına yönelik artırılmış gerçeklik destekli model, ilk iki bölümdeki çalışmalardan elde edilen değerlendirmeler doğrultusunda ortaya konulmuştur. Mimari tasarımda yerel veriye ilişkin ihtiyaçlar ve bu ihtiyaçlara yönelik konum tabanlı artırılmış gerçeklik olanakları birlikte ele alınarak kavramsal modelin veri sunarken sağlayacağı olanaklar maddeler halinde sıralanmıştır. Çalışma kapsamında bu olanaklar ortak ortam sağlama, veri sınıflandırma, veri haritalamaya uzamsal yaklaşım, bütüncül bakış, veri görünürlüğü, zaman bileşenli temsil, veri analizi, not alma ve paylaşma, mimarlara yardımcı olma ve uzmanlık sağlama başlıkları altında ele alınmıştır. Sonraki adımda, artırılmış gerçeklik destekli modelin mimari senaryosu ortaya konulmaktadır. İkinci bölümde geliştirilen yerel veri çerçevesine göre model, senaryo içerisindeki verileri sınıflandırmakta ve ana bağlam kaynağı olarak konumu kullanarak sunmaktadır. Kullanıcı senaryosu altında, modeldeki; - veriler için gerçek ve sanal ortam birleşiminde ortak bir ortam sağlanması, - verilerin yerel veri çerçevesine dayalı olarak sınıflandırılması, - verilerin alanda uzamsal olarak haritalandırılması, - tüm verilerin birarada ele alınarak bütüncül bir bakış sağlanması, - görünmeyen veriler için veri görüntülenmesi, - verilerin geçmiş ve geleceğe yönelik zaman bileşenli temsil edilmesi, - analize uygun yapıdaki verilerden analizlerin gerçekleştirilmesi, - ziyaret sırasında alanda not alma ve paylaşım sağlanması, - mimarlara yoruma ihtiyaç duydukları konularda yardımcı olma ve diğer profesyonellerin uzmanlıklarının yerinde sağlanması olanakları ifade edilmiş ve görsellerle desteklenmiştir. Modelin artırılmış gerçeklikteki teknik yapısı, bileşenleri ve iş akış düzeniyle sunulmaktadır. Model bileşenlerinin belirlenmesinde, konum tabanlı artırılmış gerçeklik sistemlerinin bileşen yapılarının incelenmesine yönelik çalışmalar dikkate alınmıştır. Modelin iş akışı üç aşamada oluşturulmuştur. Bu aşamalar; veri edinme, veri sorgulama ve veri görüntüleme aşamalarıdır. Modelde veri edinme, çeşitli veri kaynaklarından edinilen verilerin yerel veri çerçevesindeki sınıflandırma sisteminde ele alınmasıyla sağlanmaktadır. Veri edinmede mevcut veritabanlarından faydalanılabileceği gibi, kitle kaynaklı çalışma, veri madenciliği, büyük veri ve nesnelerin interneti gibi yenilikçi yaklaşımlardan da faydalanılabileceği tartışılmıştır. Modeldeki ikinci aşama olan veri sorgulama, belirli adımlarla gerçekleşmektedir. Öncelikle konum verisi, yön verisi ve yönelim verisi olmak üzere sensör verileri elde edilir. Daha sonra edinilen sensör verilerinden konum verisi ve etkin alan çapı verisi kullanılarak, yerel veri çerçevesinde düzenlenmiş olan verilerden yere ilişkin veriler sorgulanır. Son adımda ise sensörlerden edinilen yön ve yönelim verisi yardımıyla bakış açısının hesaplanması sağlanarak, sorgulama sonucu çıkan yerel verilerden bakış açısına dahil olanların görüntülenmek üzere belirlenmesi sağlanır. Üçüncü aşamada modelde veri görüntüleme, sorgulama sonucu elde edilen verilerle gerçekleştirilir. Bakış açısının, filtreleme ayarlarının ve etkin alan çapının değiştirilmesi görüntülenecek verileri etkilemektedir. Oluşan yeni durumlara göre, görüntüye dahil olan yerel veriler eklenmekte, görüntü dışında kalan yerel veriler çıkarılmakta ve görüntüde durmaya devam eden yerel veriler korunmaktadır. Model, teknik olarak işlerliğini bu şekilde gerçekleştirmektedir. Çalışma sonuçları ve öneriler sunan beşinci bölümde, genel bir değerlendirme yapılarak ileriye dönük çalışmalara katkısı tartışılmıştır. Tez çalışması ortaya koymuş olduğu yerel veri yaklaşımının yanında; veri, enformasyon ve bilgi ilişkisine getirdiği göreceli yaklaşımla mimarlık alanının dışında diğer bilimsel alanlara da referans niteliği taşımaktadır. Yerel veri çerçevesi, bir yere ilişkin veriyi mimari tasarım için sınıflandırılmış bir biçimde ele almayı sağlayarak kullanıcıyı desteklemektedir. Artırılmış gerçekliğe ilişkin olarak yapılan incelemeler ve değerlendirmeler, mimarlık alanında konum tabanlı olarak gerçekleştirilecek diğer model ve uygulamalara da katkıda bulunabilecek bir literatür araştırması sağlamaktadır. Tez kapsamında önerilen model, yerel veri çerçevesini kullanarak konum tabanlı artırılmış gerçeklik aracılığıyla yerel verilerin yerinde sunumunu sağlamaktadır. Bu sayede model erken tasarım aşamalarında, mimarı veri toplama ve analiz aşamalarına yönelik olarak desteklemektedir. Alanla etkileşim halinde, mimarın çevresindeki yerel verileri doğrudan yerinde kavramasını sağlamaktadır. İleriye yönelik çalışmalar için bu modelin mimarlık alanında kullanılmak üzere uygulanması, gerçek ortamı bir çalışma ortamına dönüştürerek mimarın yerel verilerle etkileşimini güçlendirecektir.

In architectural design, the architect produces spatial solutions by using a variety of data on the site to address architectural requirements. In the beginning of the conceptual design, data collection and analysis are the basic requirements for the architect to understand the current situation on the site. For many years, architects have used observational data to research places and regarded the data as input to architectural design. By the development of technology and data access facilities, this circumstance remain incapable to obtain data of the place. In the analyse process of the data, the current circumstance requires the architect to be physically detached from the site. The architect needs to be able to sort, visualize and navigate data to accelerate understanding in the process of analysis. In these processes, the architect tries to obtain data from different sources and evaluate them detached from the reality of the context, and certain problems arise related to accessibility, accuracy and location of the data. Besides that, the lack of a generally accepted data classification system for architects directs the study to a data classification framework to manage data. This study aims to enhance the site visit experience for the architect, to provide spatial observation of the data on site, and to help data collection and analysis during the site visit with the concept of local data through augmented reality. The main goal of the research is the development of a model that uses augmented reality for the presentation of local data on site. This study is comprised of five chapters. The chapters focus on theory, review and model complement each other in the configuration of the thesis. The first chapter provides detailed explanations of the problems, aims of the research, the research questions, the scope of the research, and the methods used to conduct the research. Within the scope of the thesis, in the second chapter the theoretical part of the study that bases on the concept of local data is presented. In the third chapter, location based data representation through augmented reality in architectural design is evaluated through the literature review. In the fourth chapter, the model that provides local data usage through augmented reality in architectural design is developed according to studies mentioned in the second and third chapters. The fifth chapter concludes the thesis by evaluating the contibutions, limitations and further studies. In the second chapter, that focus on theory, the data needed in the field of architectural design are handled under the local data approach. Firstly, a relative perspective is adopted to provide a better understanding of the relationship between data, information and knowledge. It is aimed to prevent the use of the data, information and knowledge term interchangeably and to express their use in scientific studies correctly. Secondly, it is aimed to develop a fundamental data classification for architecture. When the origin of the data is investigated, it is seen that each data carries natural or cultural references. This indicates that the fundamental classification of the data can be organized under natural and cultural categories. Lastly, the concept of local data is discussed, and a data framework for architecture is developed. In architectural design, a data framework is needed to classify local data under natural and cultural categories. In this respect through the literature research, architectural studies, site planning studies, and legal regulations in architecture and planning are evaluated to construct a data framework. Local data framework is formed by the combination of data classes, and it is also possible to classify this framework in different ways depending on the varied classification approaches. The classification of data through this framework provides a systematic approach to easily access to all data associated with the place in architectural design. In the third chapter, that focus on review, location based data representation through augmented reality in architectural design is evaluated through the literature review. Firstly, it describes the field of augmented reality including the characteristics and requirements. Combining real and virtual, interaction in real time and registration in 3D are characteristic properties of augmented reality systems. These fundamental characteristic properties also demonstrate the technical requirements of the augmented reality system as the display, interface and tracking. Secondly, location based data representation in augmented reality systems is investigated. Location based augmented reality approach allows on site representation of data. MARS, Archeoguide, VIDENTE, CityViewAR, AREA and BIM based AR applications are surveyed as a state of the art by reviewing features. Developments to the recent conditions from the first implementations are revealed with components and significance of applications. Lastly, potential contributions of location based augmented reality systems and appropriate component structures are discussed for architectural design. When the applications are evaluated in terms of potential contribution to architectural design, it is observed that location based augmented reality systems can provide: on site representation of data, user's direct interaction with data, presentation of invisible data, quick review of surrounding data, presentation of data on urban scale, visualization of past and future situations, analysis of the proper data, and editable application layout for architectural applications. By evaluating the applications in terms of components, it is observed that which components in the field of augmented reality are suitable for location based augmented reality systems. These components need to be taken into consideration in planning location based augmented reality systems for architectural design. In the fourth chapter, that focuses on model, augmented reality supported model for the use of local data in architectural design is developed in the direction of the studies in the second and third chapters. Firstly, the necessities of local data in architectural design and the potentials of location based augmented reality are discussed in the current state, and the possibilities that the conceptual model can provide are examined. Secondly, architectural scenario of the augmented reality supported model is described. Focusing on the data need of the architect during the site visit and site analysis before starting a conceptual design, the representation of local data through augmented reality with a certain classification is conceptually pointed out. The model classifies data in the scenario according to the local data framework developed in the second chapter. This framework is developed as the main part of the model for the classification of local data. It considers the location as the main context source while classifying other contextual factors. In the model, possibilities of augmented reality are expressed and supported by visualisations of the user scenario. Lastly, the technical structure of the model in augmented reality is presented with its components and workflow. In the determination of the model components, the studies in the third chapter related to structures of the location based augmented reality systems are taken into consideration. The workflow of the model is extensively explained under the stages of data acquisition, data query and data display. In the acquisition of data, although relational databases are handled as the basic data acquisition method, different methods which emerged with developing technology are discussed in relation to the model. The query and display infrastructure of the model is explained based on the working principles of the studies carried out in the field of location based augmented reality. The fifth chapter concludes the thesis by evaluating its contributions to the architectural design. In addition to the local data concept and framework, the relationship between data, information and knowledge is developed as a relative approach that can make significant contributions to other scientific fields besides architecture. Local data framework supports the architect by providing classified data related to the location for architectural design. Literature review of the study on augmented reality contribute not only to the model in this study but also to location based models and applications in the field of architecture. The model within the scope of the thesis provides local data presentation on site by using location based augmented reality. By converting the real environment to a working medium, the model connects the architect with local data on site for architectural design and assists the architect in the early design stages for data collection and analysis.