A Computational model for generating and analysing architectural layouts in virtual environments

Abstract

Designing interior layouts is one of the most common elements of the immersive computer graphics projects (e.g., games, virtual reality and special effects). The design of 3D virtual environments aims to provide not only a visually engaging experience, but also a plausible understanding of the virtual entities through which the user can easily associate real world objects with corresponding 3D digital models. Nowadays, digital artists apply Computer Aid Design (CAD) techniques to draft floor layouts. The planning process, as a complex human activity, becomes more prone to error when the designer is faced with different levels of uncertainty in a multidimensional problem such as this one. Despite the growth of computerized computational methods to generate and simulate floor plans, mostly based on Artificial Intelligence techniques, such methods are not satisfactory enough among designers yet, due to the weak problem formulation of the designers practices and that current methods do not incorporate subjective aspects of the design in the optimization processes. This thesis contributes in two main fields of floorplan layout computation: computational quality metrics and procedural generation of 3D layouts. We introduce novel metrics based on formulating architectural standards, to measure the quality of privacy (as complementarity of visibility) and of circulation. We introduce two different approaches to generate floorplans, one based on subdivision, and focused on enhancing circulation, and another one based on hybrid optimization methods, supporting a wide variety of quality measures, and subjective input. The hybrid optimization algorithm takes advantage of an evolutionary strategy to generate a set of optimal solutions. In order to reach higher quality offspring at each generation and faster convergence towards optimal solutions, a parent selection method is proposed that attempts to find the most appropriate sub layouts in the recombination process (i.e., sub-layouts that more likely generate higher quality children after recombination). In addition, the subjective and contextual aspects of the design are addressed by incorporating user opinion in the fitness function of the optimization algorithm.

El diseño de las disposiciones interiores es uno de los elementos más comunes de los proyectos de gráficos por ordenador y de inmersión (por ejemplo, juegos, realidad virtual y efectos especiales). El diseño de los entornos virtuales 3D tiene como objetivo proporcionar no sólo una experiencia visualmente atractiva, sino también una comprensión plausible de las entidades virtuales a través de la cual el usuario puede asociar fácilmente objetos del mundo real con los correspondientes modelos digitales 3D. Hoy en día, los artistas digitales aplican técnicas de diseño asistido por ordenador (CAD o Computer Aided Design) para elaborar diseños de planta. El proceso de planificación, como toda actividad humana compleja, se vuelve más propenso a error cuando el diseñador se enfrenta a diferentes niveles de incertidumbre en un problema multidimensional como éste. A pesar del crecimiento de métodos computacionales computerizados para generar y simular los planos de planta, en su mayoría basados en técnicas de inteligencia artificial, sin embargo, tales métodos no son lo suficientemente satisfactorios para los diseñadores, debido a la formulación débil del problema de las prácticas de los diseñadores y a que los métodos actuales no incorporan aspectos subjetivos del diseño en los procesos de optimización. Esta tesis contribuye en dos campos principales del diseño computacional de plano: en las métricas computacionales de calidad y en la generación procedimental de las disposiciones 3D. Se introducen nuevos parámetros para medir la calidad de privacidad (como complementariedad de visibilidad) y de la circulación, basados en la formulación computacional de estándares de arquitectura. Por otra parte, se introducen dos enfoques diferentes para generar planos computacionalmente, uno basado en la subdivisión, y centrado en la mejora de la circulación, y el otro basada en métodos de optimización híbridos, que admite una amplia variedad de medidas de calidad, y de entradas subjetivas. El algoritmo de optimización híbrida aprovecha una estrategia evolutiva para generar un conjunto de soluciones óptimas. Con el fin de llegar a la descendencia de mayor calidad en cada generación y una convergencia más rápida hacia soluciones óptimas, se propone un método de selección de los padres para intentar encontrar los sub-diseños más adecuadas en el proceso de recombinación (es decir, sub-diseños que con más probabilidad generan los descendientes de mayor calidad después de recombinación). Además, los aspectos subjetivos y contextuales del diseño se tratan mediante la incorporación de la opinión de usuario en la función de aptitud del algoritmo de optimización.