Designing An Augmented Reality Based City Building Game Using Cellular Automata

Abstract

For the next fifty years, it's expected that the number of people living in urban areas will get higher and higher, and cities will expand in more unpredictable and complex ways. This rapid change and unpredictability of cities show that it's very important for both regional and local management to have better understandings of cities' elements and their relationships with each other. To address these issues and analyses, decision-makers have to strengthen their urban intervention reflexes to make the right choice at the right time. The analysis of the current urban pattern and predictions of development and growth requires a long period, high financial support, and researchers from a wide range of branches. The slow feedback from urban analyses, continuous change of the cities, and fundamental information infrastructure necessitates the adoption of more innovative and rapid methods. In this context, serious games meet all these expectations and fill the gap between researchers, management, architects, designers, and beneficiaries. Towards this aim, previous studies, urban analyses, and different urban scenarios are evaluated in the context of games and serious games. A large number of constraints and variables of the urban dynamics, difficulty in making accurate predictions, merged structures of the urban systems, and complex sub-systems which constantly interact with each other, direct researchers to apply computational design techniques more and more in their studies. Literature reviews that were made in this sense, shows that cellular automata is one of the most prominent computational design techniques in this issue. The flexibilities and computational capabilities of cellular automata are found suitable to create the foundation of urban growth algorithms in the serious game that is designed for this thesis. Within the boundaries of the study, games and serious game concepts are mentioned and games with urban design concepts are studied by describing their notable aspects. These games are discussed on methods they use to simulate urban systems, the use in real-world cases, participatory environments they create, and aim for informative intentions. Game elements that form the game are examined in the perspective of the designed game by focusing on the relationship between the game and play notions, rules, and mechanics of the game, gameplay process, player interactions, and representations. In this direction, the designed serious game is aimed to use cellular automata for in-game mechanics, create a participatory environment for players, and use augmented reality technologies along with board game structure to offer an innovative interaction-workspace that strengthens the urban intervention reflexes of the participants.

Yapılan araştırmalardan yola çıkarak, gelecek 50 yılın perspektifinde oluşturulan senaryolarda, kentlerde yaşayan nufüsun daha da artması ve şehirlerin daha fazla, daha hızlı ve karmaşık şekilde büyümesi öngörüsü oluşmaktadır. Bu hızlı değişim şehirlerin analizinin ve doğru planlamanın ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Yapılan analizlerin yanı sıra kent içindeki gerek genel, gerekse yerel bütün karar mekanizmalarının bu analizleri iyi okuması ve kentin seri tepkilerine karşı yerinde reflekslerle müdahale etmeleri gerekmektedir. Kentsel tasarım süreçlerinde bazı şehirler daha yenilikçi yönetim biçimleri aramakta ve bu tasarım süreçleri kapsamında yapılacak olan çalışmalarda şehrin içindeki farklı tarafları bir araya getirmektedirler. Kent içinde daha küçük yerel yönetimleri katılımcı bir ortam çerçevesinde bir araya getiren ve çok sesli bir ortam oluşturabilen kentsel yönetim biçimleri git gide yaygınlaşmaktadır. Kentsel gelişimin ve değişimin analizi, bir çok alanda uzmanlık sahibi kişilerin bir araya gelip, yüksek finansal kaynaklar kullanarak, uzun süren çalışmalar sonucu ortaya çıkardıkları uzun ve zorlu bir süreçtir. Bahsi geçen kentsel araştırmaların geri dönüş hızlarının yavaş olması, sürekli değişen ve karmaşıklaşan kentlerin daha hızlı ve erişilebilir yöntemlerin kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Bu noktada Ciddi Oyunlar dinamik yapıları ile bu ihtiyaçları karşılayabilmekte ve şehri yönetenler, mimarlar, tasarımcılar ve hak sahipleri ve mahallesakinleri arasındaki ilişkilerde köprü işlevini kurabilmektedir. Bu tez kapsamında, kentsel değişimin ve kentsel analiz yöntemlerinin ciddi oyun bağlamı altında değerlendirilmesinin potansiyelleri incelenmekte ve bir kentsel değişim senaryosu için ciddi oyunlar birer araç olarak kullanılmaktadır. Günümüzde hesaplamalı tasarım yöntemleri mimarlık, müzik, sanat, bilişsel çalışmalar gibi bir çok farklı alanda kullanılmakta ve başlı başına tasarım süreçlerine ve araçlarına etki etmektedir. Hesaplamalı tasarım yöntemleri süreçlerin daha hedef odaklı olmasını sağlarken aynı zamanda daha üretken sonuçların ortaya çıkmasını da olanak vermektedir. Karmaşık tasarım problemlerinin çözümüne yönelik olan çalışmalarda, kısıtlar ve değişkenlerin yardımıyla hesaplamalı tasarım yöntemleri süreçlerdeki elle yapılması zor olan çözüm alternatiflerinin oluşturulmasında etkin rol oynamaktadır. Kentsel değişimin analizinde çok fazla kısıt ile değişkenin olması, tahmin edilebilirliğin düşük olması, kenti oluşturan faktörlerin çok katmanlı, dinamik ve birbirleri ile etkileşim halindeki yapısı, kente dair verinin büyük boyutlara ulaşmasına ve kentsel analizlerde bu dverileri işlemek için üretken sistemler gibi hesaplamalı tasarım yöntemlerinin daha çok tercih edilmesine önayak olmaktadır. Literatürde yer alan çalışmalar incelendiğinde, en yaygın teknik olan hücresel özdevinimin yanı sıra şekil gramerleri, genetik algoritmalar, etmen tabanlı sistemler ve sürü zekası gibi farklı üretken sistemlerin de tek tek veya birbirlerini destekleyici şekilde bir arada kullanıldığı görülmektedir. Bu çalışma kapsamında tasarlanacak ciddi oyun için esneklik ve hesaplamalı tasarım avantajı sebebiyle üretken sistemlerden hücresel özdevinim algoritmalarının oyun içi kentsel değişim ve gelişim kurallarında kullanılması uygun görülmektedir. Çalışmanın kapsamında öncelikle oyun ve ciddi oyun kavramları açıklanmakta ve daha sonra literatürde yer alan kentsel tasarım konseptindeki oyunlar ele alınmaktadır. Oyunların kentsel gelişme ve simülasyon kavramlarını nasıl yaklaştıkları, katılımcı bir ortam yaratıp yaratmadıkları, gerçek şehir senaryolarında kullanılmaları ve öğretici bir amaç gütmeleri gibi güçlü ve belirleyici noktalarına odaklanılmaktadır. Oyunu oluşturan elemanları; oyun ve oynama kavramlarının birbirleriyle ilişkileri, kuralların tanımlanması, oynanış süreci, oyuncu ilişkileri, tasarlanan oyun çerçevesinde incelenmektedir. Bu tez kapsamında, kentsel dokuların değişimini hücresel özdevinim kuralları ile oyun mekaniklerine dönüştüren, oyuncuların diyaloğuna imkan veren, arttırılmış gerçeklik teknolojisi ile kutu oyununu bir araya getiren ciddi bir oyun tasarlanmıştır. Çalışmanın özgün olmasının birincil sebebi, hücresel özdevinim algoritmalarını ciddi bir oyun kapsamında kentsel gelişim tahmini yöntemi olarak kullanmış olmasıdır. Çalışmanın özgün katkısı, hücresel özdevinim algoritmalarının oyun kuralları bazında kentsel simülasyonda kullanılması, yarı dijital yarı fiziksel bir etkileşim arayüzü önermesi ve mimarlar, şehir planlamacıları, tasarımcılar ve hak sahipleri için kentsel müdahale reflekslerini güçlendiren katılımcı bir oyun ortamı oluşturması olarak belirtilebilir. Çalışma kapsamında geliştirilen ciddi oyunun mekanikleri, kuralları, oyunculara sunduğu zorlukları ve amaçları, etkileşim dinamikleri ve temsil kapsamı tartışılmaktadır. Kullanıcılar hücresel özdevinim ile beslenen ve belirli düzeyde rastgele ve tahmin edilemez olan algoritmaya karşı oyunu bir arada strateji geliştirerek oynamaktadırlar. Kullanıcıların oyunu oynadıkları mobil cihaz ile ve oyun piyonları ile girdikleri etkileşimler oyunun oynanış süreci dahilinde tasarlanmaktadır. Oyunun sunduğu zorluk düzeyi oyuna başlarken seçilebildiği gibi kullanıcıların oyun oynadıkça kazanma ve kaybetme istatistiklerine göre güncellenen bir yapısı bulunmaktadır. Bu durum gerek daha fazla zorluk arayan gerekse de kendini daha basit bir şekilde test etmek isteyen oyunculara uygun bir yapı sağlamaktadır. Tasarlanan ciddi oyunda, kendini sürekli daha zor ile sınayan ve yeteneklerinin tecrübe ile gelişebileceğine inanan, gelişim öz-teorisi yapısındaki insanları daha zor oyun biçimleri ile sınayan; yeteneklerinin ve oyun içindeki başarısının tecrübe ve yeniden oynama ile gelişemeyeceğini düşünen varlık öz-teorisi yapısında insanları ise rahat edebilecekleri bir zorluk seviyesi ile karşılaştıran bir yapı mevcuttur. Ciddi oyunların birincil amaçlarından olan, oyuncularına belli bir alanda bilgi verme amacı, farklı yapıdaki oyunculara değişken zorluklar ve farklı oyun içi hedefleri sunması ile sağlanmaktadır. Tasarlanan oyundaki etkileşimler; oyuncuların kendi aralarındaki etkileşimi, oyuncuların fiziksel ögeler ile etkileşimi ve oyuncuların arttırılmış gerçekliği sağlayan cihaz ile etkileşimi olarak üç ana başlıkta incelenmiştir. Oyuncuların kendi aralarındaki etkileşimi ortak bir amaç doğrultusunda hareket etmeleri ve aynı katılımcı ortamda buluşmaları ile sağlanmaktadır. Oyuncuların oyun elemanları ile etkileşimi ise fiziksel ögeler ve dijital arayüzler üzerinden sağlanmakta olup oyuncuların geri bildirimi ile sonuç bölümünde değerlendirilmektedir. Tasarlanan ciddi oyunun elemanları, temsil konusunda, hem şehrin seçilmiş bir bölgesini temsil etmektedir hem de kentsel doku içindeki elemanların bir temsili görevini üstlenmektedir. Coğrafi bilgi sistemi üzerinden alınan veriler işlenerek şehrin dinamik noktalarından biri olan organize sanayi bölgesi oynanabilir bir senaryo olarak sunulmaktadır. Var olan senaryonun yanı sıra, uygulama tarafından rastgele oluşturulmuş senaryolar üzerinden de oyun oynanabilmektedir. Oyunun fiziksel elemanları modellenerek hem mobil cihaz tarafından algılanabilecek hem de 3 boyutlu yazıcı ile çıktı alınabilecek şekilde tasarlanmaktadır. Çalışmanın son bölümlerinde uygulamanın daha detaylı bir incelemesi yapılmaktadır. Bu inceleme kapsamında geliştirilmekte olan oyun içerisindeki fonksiyonlar, kurallar, olaylar ve değişkenlerin tahlili, bu fonksiyonların birbirleri ile olan ilişkileri, oyunun nasıl üretildiği, oyun içerisindeki aktörlerin arttırılmış gerçeklik teknolojisini kullanarak fiziksel oyun elemanlarının üzerlerine nasıl yansıtıldıkları ve hücresel özdevinim algoritmasının oyun yapay zekası tarafından kural tabanlı bir tahmin edilemezlik yaratıp oyun mekaniğini şekillendirdiği belirtilmiştir.Ek olarak, oyunun geliştirilmesi işinin de yapıldığı, uygulama iskeletini oluşturan Unreal Engine 4 oyun motoru ve arttırılmış gerçeklik uygulaması geliştirme donanımlarından GoogleAR hakkında bilgi verilerek arka planda yapılan çalışmaların kapsamları ve nitelikleri aydınlatılmaktadır. Sonuç bölümünde, tasarlanan oyunun değerlendirilmesi oynanış testleri üzerinden yapılmaktadır. Yapılan oynanış testleri sonucunda oynanabilirlik, kullanılabilirlik, katılımcı ortam oluşturulması ve yeniden oynanabilirlik gibi kavramlar üzerinden değerlendirilmiştir. Oyunun fiziksel ve dijital ögeleri tasarlanıp prototipleri oluşturulmuş ve oyun iki test grubuna daha önceden belirtilmiş kurallar ile birlikte oynatılmıştır. Oyun süreci sonrasında her bir oyuncunun izlenimleri ve deneyimleri anket üzerinden elde edilmiştir. Değerlendirmenin nitel bölümü oynanış sürecinin kayıt altına alınıp, daha sonra analiz edilip incelenmesi sonucunda, nicel kısmı ise kullanıcılar tarafından doldurulan anket ve yapılan görüşmeler sonrasında elde edilmiştir. Geliştirilen uygulama, nihai sürüm öncesi bir deneme sürümü olarak ele alınmış olup değerlendirmeler bu ölçüte göre yapılmıştır.