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Wissenschaftliche Arbeit / PhD

Fragen formen Zukunft. Forschung gestaltet Raum.

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Universität Münster

Linus Manuel Schilling M.A.

Junior-Architekt AKNW

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dr. rer. nat. PhD-Doktorand

Adresse

Raum 106

Heisenbergstraße 2

48149 Münster

Deutschland

Kontakt

+49/0 176 63459899

+49/0 251 83330 64

L.schilling@uni-muenster.de

www.uni-muenster.de

Eckdaten

Moderne Gebäude stellen hohe Anforderungen an unsere räumliche Orientierung: In komplexen Umgebungen wie Krankenhäusern, Flughäfen oder Universitäten verlieren Menschen häufig die Orientierung - mit Auswirkungen auf Wohlbefinden, Effizienz und Sicherheit. Diese Dissertation untersucht, wie architektonische Räume so gestaltet werden können, dass sie in Echtzeit auf menschliche Wahrnehmung reagieren und die Navigation gezielt erleichtern.​

Im Zentrum steht die Verbindung dreier Forschungsfelder: Navigation im Raum, visuelle Aufmerksamkeit (gemessen mittels Eye Tracking) und adaptive Projektionswände als interaktive Gestaltungselemente. Die Arbeit positioniert sich damit an der Schnittstelle von Raumkognition, Human-Computer-Interaction und responsiver Architektur. Ziel ist es, eine neuartige Entwurfsmethodik zu entwickeln, die es ermöglicht, adaptive Räume zu gestalten, die auf visuelle Reize und kognitive Strategien von Nutzer*innen reagieren.​

Methodisch kombiniert die Dissertation virtuelle Architekturmodelle mit Eye-Tracking-Experimenten, deren Daten in ein adaptives Raumverhalten überführt werden. So entsteht ein innovativer Forschungsansatz, der gestalterisches Denken mit geoinformatischer Analyse und psychologischen Erkenntnissen verknüpft. Der interdisziplinäre Zugang versteht Architektur nicht nur als physisches Gefüge, sondern als lern- und reaktionsfähiges System - mit dem Ziel, Räume intuitiver, inklusiver und menschenzentrierter zu gestalten.

Geoinformatik

Promotionsfach

Dr. rer. nat. (Doktor der Naturwissenschaften)

Art der Promotion

Universität Münster

Universität

Prof. Dr. Jakub Krukar

1. Betreuender Professor

Prof. Dipl.-Ing. Ulrich Blum

2. Betreuender Professor

Kognitive Wegfindung in responsiven Räumen: Wie adaptive architektonische Räume auf menschliche Wahrnehmung reagieren

angest. Promotionstitel

15.04.2024 - angest. 01.04.2028

Zeitraum

Partner

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Universität Münster

Schlossplatz  2​

48149 Münster, DE

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Institut für Geoinformatik (ifgi)

Heisenbergstraße 2

48149 Münster, DE​

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Spatial and Architectural Cognition Lab (SPARC)

Heisenbergstraße 2

48149 Münster, DE

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Fachhochschule Münster

Hüfferstraße 27

48149 Münster, DE​

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Münster School of Architecture (MSA)

Leonardo Campus 5

48149 Münster, DE​

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Auf der Suche nach neuen Partnern

Forschung braucht Verbündete. In diesem Bereich zeige ich Ihnen, warum eine Zusammenarbeit für Unternehmen und Institutionen langfristig wertvoll sein kann.

Auf der Suche nach neuen Partnern

Guide
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1. In einem Satz

Ich entwickle eine Methodik, mit der Gebäude Menschen aktiv und situationsgerecht beim Orientieren helfen - durch multimodales Tracking, sprachliche Interaktion und adaptive Signale (Licht/Projektion/Audio/Display). Ziel sind praktische Leitlinien, ein Prototyp-Stack und nachweisbare Verbesserungen im realen Betrieb.

 

2. Warum das für Unternehmen relevant ist?

Große, komplexe Gebäude erzeugen Orientierungsstress: Menschen benötigen länger, verfehlen Ziele, fragen Personal - das kostet Zeit, Nerven und Geld. Gleichzeitig verschieben Sprachassistenten und Automationen die Erwartung an Interaktion: Wir sprechen mit Technik und erwarten sofortige, kontextbezogene Hilfe - auch im Gebäude. Meine Forschung schließt genau diese Lücke.

 

3. Was ich konkret erforsche?

3.1 Multimodales Tracking - Wahrnehmen, ohne zu wissen, wer Sie sind

  • Signale: aggregierte, anonymisierte Daten aus Person/Face/Eye-Tracking, Bewegung/Interaktion und Indoor-Positionierung - wo rechtlich zulässig

  • Zweck: Muster erkennen (z. B. „Viele bleiben hier stehen“) und situationsgerechte Hinweise auslösen - nicht überwachen

  • Praxisbeispiel: Bei Stau am Knotenpunkt startet automatisch eine Lichtanimation, die das Weitergehen intuitiv begünstigt

3.2 Sprach-Interface - Mit Gebäuden sprechen

  • Dialoge statt Apps: „Bring mich zur Radiologie“ / „Ich suche Hörsaal H3“. Das System versteht die Absicht, stellt ggf. Rückfragen und leitet an

  • Mehrwert: Barrierearm, hands-free, funktioniert für Erstbesucher wie für Stammnutzer

3.3 Adaptive Signalgebung - Hinweise, die sich der Situation anpassen

  • Medien: Licht, Projektion, Audio, Displays - einzeln oder kombiniert

  • Logik: Intensität, Richtung und Rhythmus passen sich Menschenstrom und Kontext an (z. B. Notfall, Spitzenlast, Tageszeit)

 

4. Welcher Nutzen entsteht?

  • Kürzere Wege und weniger Fehlwege → Zeitgewinn, verlässlichere Termine, weniger Rückfragen

  • Entlastung des Personals → Fokus auf fachliche Aufgaben, nicht auf Wegerklärung

  • Besseres Besuchserlebnis → höhere Zufriedenheit, positive Markenwirkung

  • Datenbasierte Entscheidungen → Investitionen in Signage/Leitsysteme messbar optimieren

 

5. Was Partner erhalten? (Deliverables)

  • Design-Guidelines für wayfinding-freundliche, adaptive & dialogische Räume

  • Prototyp-Stack: Tracking-Pipeline, Sprach/Dialog-Bausteine, adaptive Signalsteuerung

  • Evaluationsbericht mit KPIs: z. B. Zeit-zu-Ziel, Fehlwege, subjektive Belastung, Dialogqualität

  • Methodik & Schnittstellen: API-Skizzen, Integrationspfade in BMS/PropTech

 

6. Typische Anwendungsszenarien (Auswahl)

  • Gesundheitsbauten: Patientenströme entlasten, Wege verdichten, Personal entbinden

  • Verkehrsknoten/Airports: Anschlusszeiten sichern, Spitzen glätten

  • Bildung/Verwaltung: Besucherlenkung ohne Zusatzpersonal

  • Retail/Logistik: Wege verkürzen, Suchzeiten senken

  • Museen/Kultur: kuratierte Pfade, zugängliche Orientierung

  • Smart-Home/Lighting-OEMs: künftige Produktrollen - hybride Bedienpunkte, Lichtpfade statt statischer Schilder

 

7. Für wen ist eine Kooperation interessant?

Breit gedacht, u. a.:

BMS/GLT und PropTech, Schalter-/Bediengeräte-Hersteller, Lighting-OEMs (DALI/PoE/dynamische Lichtführung), Smart-Home/Voice-Plattformen, IPS/Wayfinding-Anbieter, Sensorik/Vision (Privacy-by-Design), AR/VR/XR, Robotik/AMR sowie Betreiber komplexer Healthcare-, Airport-, Campus-, Retail- und Kultur-Immobilien, usw.

 

8. So läuft eine Zusammenarbeit ab

  1. Kick-off: Ziele, Use-Cases, Flächen, Datenschutzrahmen

  2. Co-Design: Workflows, Signale, Dialoge, Erfolgskriterien (KPIs)

  3. Prototyping: Aufbau des Stacks (Tracking ↔ Sprache ↔ Signalgebung)

  4. Pilotbetrieb: in realer Umgebung, begrenzte Flächen/Zeiträume

  5. Evaluation und Guidelines: Messung der KPIs, Übertragbarkeit, Roadmap

   Timing: Erste Piloten sind in 3-6 Monaten realisierbar; der PhD-Gesamtrahmen liegt bei 3-4 Jahren

 

9. Was ich von Partnern benötige

  • Primär: finanzielle Unterstützung (Direktförderung/F&E-Vertrag oder Co-Funding)

  • Sekundär: Testumgebungen, Daten (Grundrisse, anonymisierte Bewegungs-/Nutzungsdaten - wo möglich), Sachbeiträge, Domänen-Feedback, Integration in BMS/IPS/Lighting für den Pilotbetrieb

10. Datenschutz, Ethik und IP

  • Privacy-by-Design: Edge-Verarbeitung, Pseudonymisierung/Aggregation, informierte Einwilligung in Studien

  • Transparenz: Kein Identifizieren Einzelner im Betrieb; Ziel ist Orientierungsqualität, nicht Überwachung

  • Rechte und Publikation: NDA schützt Partnerinteressen; generische Methoden werden wissenschaftlich publiziert, projektspezifische Nutzungsrechte sind verhandelbar

 

11. Technischer Überblick

  • Sensor-Ebene: Kamera/ToF/IPS/Beacons, wo sinnvoll; on-device/edge Vorverarbeitung

  • Daten-/Event-Bus: Integration in BMS/GLT, Lighting-Controller, IPS, Digital-Signage

  • Decision-Layer: Regeln/ML-Modelle, die Konflikte (Sicherheit, Barrierefreiheit, Energie) berücksichtigen

  • Interaction-Layer: Sprach-Intent-Erkennung, Rückfragen, Bestätigungen; Ausgabe über Licht/Projektion/Audio/Displays

  • Monitoring und KPIs: Echtzeit-Dashboards für Betreiber (z. B. „Zeit-zu-Ziel“ pro Route, „Staupunkte“)

 

12. Wirtschaftlichkeit (Denkanstoß)

  • ROI-Hebel: gesparte Mitarbeiterzeit (Wegauskünfte), Termintreue, Gästefluss, Markenwirkung

  • Beispielhafte KPI-Ziele: -20-40 % Zeit-zu-Ziel, -30 % Fehlwege, -X % Anfragen an Service-Points (exakte Zielwerte werden je Pilot definiert)

Häufige Fragen (FAQ)
Ist das datenschutzkonform?

.

Ja. Architektur und Prototypen sind Privacy-by-Design ausgelegt (Edge-Verarbeitung, Pseudonymisierung/Aggregation, Einwilligungen).

Brauchen wir neue Hardware?

.

Kommt auf die Umgebung an. Häufig lassen sich vorhandene Komponenten (z. B. Kameras / Beacons / Lighting) einbinden; sonst zielgerichtete Ergänzungen.

Wie schnell sehen wir Effekte?

.

Im Pilotbetrieb üblicherweise innerhalb weniger Wochen, abhängig von Fläche, Besucheraufkommen und KPIs.

Verändert das unsere Corporate Signage?

.

Nicht zwingend. Adaptive Hinweise ergänzen bestehende Leitsysteme und können schrittweise integriert werden.

Mit meiner Promotion verfolge ich konsequent einen wissenschaftlichen Weg, der für mich längst mehr ist als ein akademischer Abschnitt: Es ist mein Weg, Räume nicht nur zu entwerfen, sondern ihre Wirkung auf den Menschen zu verstehen und bewusst zu gestalten.​

Ich promoviere im Fach Geoinformatik an der Universität Münster, eingebettet in das interdisziplinäre Forschungsumfeld des SPARC-Lab („Spatial and Architectural Cognition“). Meine Dissertation befasst sich mit der Frage, wie adaptive räumliche Systeme auf menschliche Wahrnehmung reagieren können - insbesondere in Bezug auf Navigation, visuelle Aufmerksamkeit und Eye Tracking. Ziel ist es, Mechanismen zu identifizieren, die es ermöglichen, architektonische Räume so zu gestalten, dass sie Orientierung intuitiv unterstützen - sei es durch dynamische Projektionen, gezielte Raummodulation oder rückgekoppelte Reize.​

Die Idee, dass Architektur nicht nur gebaut, sondern verstanden, gelesen und erlebt werden muss, begleitet mich seit den frühen Phasen meines Studiums. Meine Masterarbeit zum Thema partizipatives Entwerfen mit KI-basierter Unterstützung war ein erster Schritt in Richtung interaktiver, benutzerzentrierter Raumgestaltung. Sie legte das Fundament für meine heutige Forschung: Wie lassen sich Wahrnehmungsmuster erkennen - und in Echtzeit in Gestaltung übersetzen?

Was mich motiviert, ist die Überzeugung, dass Architektur nicht neutral ist. Räume beeinflussen, wie wir uns fühlen, bewegen, erinnern. Sie leiten, fordern, schützen. Gerade in komplexen Umgebungen - Krankenhäusern, Bildungsstätten, Behörden - ist eine intuitive Orientierung nicht nur hilfreich, sondern entscheidend. In meiner theoretischen Vorarbeit (Designing for Direction, 2024) analysierte ich ausführlich, warum Menschen sich in Gebäuden verirren und welche kognitiven, gestalterischen und emotionalen Faktoren dabei eine Rolle spielen. Daraus entstand mein aktueller Forschungsschwerpunkt: Architektur als reagierendes System, nicht als statische Umgebung.​

Ich bin davon überzeugt, dass genau an dieser Schnittstelle zwischen Entwurf, Kognition und Technik enormes Potenzial liegt - nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die architektonische Praxis. Architektur wird zunehmend datenbasiert, adaptiv und situativ. Genau hier möchte ich meine Fähigkeiten einsetzen: analytisch denken, ästhetisch entwerfen, technisch umsetzen.

Wissenschaftlich sehe ich mich langfristig an der Schnittstelle von Forschung und Lehre - mit der Perspektive, mein Wissen weiterzugeben. Zugleich strebe ich danach, auch in der architektonischen Berufspraxis Maßstäbe zu setzen. Mein Ziel ist es, an Innovationen mitzuwirken, die nicht nur technisch brillant, sondern räumlich sinnvoll und menschlich nachvollziehbar sind. Ich glaube daran, dass Architektur mehr leisten kann - und muss.​

Dass ich diesen Anspruch mitbringe, verdanke ich nicht zuletzt meiner Biografie: Aufgewachsen im Münsterland, geprägt durch internationale Jahre in den Vereinigten Arabischen Emiraten, eingebettet in ein familiäres Umfeld mit handwerklichem und ingenieurtechnischem Hintergrund. Ich habe früh gelernt, Gestaltung als Balance zwischen Gefühl und Konstruktion, zwischen Verantwortung und Vision zu begreifen.​

Ebenso prägend war mein langjähriges ehrenamtliches Engagement im Jugendrotkreuz, das mir gezeigt hat, wie wichtig es ist, für andere mitzudenken und mitzugestalten - eine Haltung, die ich heute in meiner Forschung weiterführe: Nutzerzentrierung ist für mich kein Schlagwort, sondern ein gestalterischer Imperativ.

Motivationsschreiben

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Exposé

Architektur ist nie nur Baukunst, sondern ein Beitrag zur Zukunft unseres Lebensraums. Forschung beginnt mit einer Frage - dieses Exposé skizziert mein Vorgehen auf dem Weg zu neuen architek-tonischen Erkenntnissen. Hier zeige ich die Leitfragen und Ideen, die meine Promotion antreiben.

Forschungsstand

Forschung lebt vom Dialog mit dem, was bereits gedacht und gebaut wurde. Der Forschungsstand zeichnet die Spuren jener Ideen nach, die mein Thema geprägt haben. Hier wird sichtbar, welche Ansätze meine Arbeit fortführt - und wo sie neue

Wege geht.

Exposé

Einleitung und Problemstellung
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Viele Menschen verlieren in komplexen Gebäuden wie Krankenhäusern, Flughäfen oder Universitäten schnell die Orientierung. Die Gründe hierfür sind vielfältig - sie reichen von visueller Gleichförmigkeit über unklare Wegeführungen bis hin zu psychologischen Einflussfaktoren wie kognitiver Überforderung. Trotz gestalterischer und technologischer Fortschritte wird die Frage, warum wir uns verirren, in der Architektur meist nicht systematisch adressiert.​

Diese Dissertation untersucht, wie sich Navigation als wahrnehmungsbezogener Prozess besser verstehen lässt - und wie sich daraus architektonische Konsequenzen ableiten lassen. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie architektonische Räume adaptiv und responsiv auf menschliche Wahrnehmung reagieren können.

Relevanz und gesellschaftlicher Bezug
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Verloren gehen kann jeder - besonders in stressbeladenen Kontexten wie Notaufnahmen, Ämtern oder Bildungseinrichtungen. Genau hier sind intuitive Wegeführungen essenziell.​

Diese Arbeit trägt dazu bei, Navigation nicht nur aus gestalterischer, sondern aus menschzentrierter, kognitiver Perspektive neu zu denken. Adaptive Architektur kann Orientierung erleichtern, psychische Belastung senken und Teilhabe fördern - etwa für ältere Menschen oder Personen mit kognitiven Einschränkungen.​

Darüber hinaus leistet das Projekt einen Beitrag zur interdisziplinären Forschung zwischen Architektur, Informatik und Psychologie und zeigt neue Wege auf, wie digitale Technologien sinnvoll in reale Räume integriert werden können.

Forschungsfrage und Zielsetzung
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Die zentrale Forschungsfrage lautet:
Wie beeinflusst visuelle Wahrnehmung durch Eye Tracking das Navigationserleben - und wie können adaptive Projektionswände darauf in Echtzeit reagieren, um Orientierung gezielt zu unterstützen?​​

Ziele der Dissertation:

  • Die systematische Analyse von Navigationsverhalten mithilfe von Eye Tracking.

  • Die Entwicklung adaptiver räumlicher Interfaces in Form von projektionsbasierten Wänden.

  • Der Nachweis, dass dynamische architektonische Elemente Orientierung messbar verbessern können.

Zeitplan
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1. Jahr

1. Theoretische Grundlagen und Recherche

  • Literaturrecherche zu Raumkognition, Eye Tracking, adaptiver Architektur
    Mai - Dezember

  • Aufbau theoretischer Rahmen und Ableitung der Forschungsfragen
    Juni - Januar

  • Erstellung Literaturverwaltung (z. B. Citavi, Zotero), Dokumentation
    Mai - fortlaufend

​​

​2. Technologierecherche & Testaufbau

  • Sichtung und Vergleich technischer Systeme (TouchDesigner, Unity, VR-Brillen etc.)
    Juli - Oktober

  • Auswahl & Erprobung von Software-Tools und Sensorik
    August - Dezember

  • Aufbau erster VR-Testumgebungen (z. B. Gangsysteme, Labyrinthe)
    Oktober - Februar

3. Versuchsdesign & Ethik

  • Entwicklung des Experimentdesigns inkl. Eye Tracking-Protokolle
    November - Februar

  • Vorbereitung Ethikantrag, Teilnehmenden-Management, Pretests
    Dezember - März

​​

2. Jahr

4. Systementwicklung & Programmierung

  • Entwurf des adaptiven Projektionssystems (Prototyp)
    Mai - Oktober

  • Programmierung der adaptiven Reaktionen (visuelle Reize, Trigger etc.)
    Juni - Dezember

  • Aufbau & Test der technischen Infrastruktur für Laborexperimente
    August - Januar

5. Empirische Durchführung

  • Rekrutierung der Proband*innen und Durchführung der Eye-Tracking-Studien
    Oktober - Februar

  • Durchführung qualitativer Interviews (Parallel oder direkt im Anschluss)
    November - März

  • Ergänzende Tests mit Kontrollgruppen (statisch vs. adaptiv)
    Dezember - März

​​

6. Auswertung & Analyse

  • Datenaufbereitung (Heatmaps, Pfadanalysen, Fixationen etc.)
    Januar - März

  • Erste Ergebnisinterpretation und Rückkopplung mit Theorie
    März - April

3. Jahr

7. Vertiefung & Iteration

  • Iterative Weiterentwicklung des Systems auf Basis der Auswertung
    Mai - August

  • Anwendung auf weitere Testumgebung(en) (optional, je nach Ergebnis)
    Juni - September

8. Schlusskapitel & Praxisübertragung

  • Ableitung architektonischer Handlungsempfehlungen
    Juli - Oktober

  • Einbindung in Planungsprozesse, Barrierefreiheit, inklusives Design
    August - Oktober

​​

9. Schreiben & Fertigstellung

  • Schreiben der Kapitel 1-8
    September - Januar

  • Überarbeitung, Abbildungen, Layout
    Februar - März

  • Einreichung & Vorbereitung der Verteidigung / Veröffentlichung
    April

Methodik und Vorgehensweise
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Die Arbeit verbindet empirische Forschung, räumliche Simulation und interaktive Gestaltung:

  • Eye Tracking in virtuellen Testumgebungen
    Untersuchung visueller Aufmerksamkeit in komplexen Gebäudelayouts.

  • Adaptive Projektionsumgebungen
    Entwicklung und Programmierung von Wandinterfaces, die in Echtzeit auf Blickverhalten reagieren.

  • Empirische Vergleichsstudien
    Durchführung kontrollierter Studien mit Proband*innen zur Evaluierung des Orientierungserlebens in statischen vs. adaptiven Räumen.

  • Datenanalyse
    Kombination quantitativer Metriken (Fixationen, Pfadlänge, Fehlerquote) mit qualitativen Befragungen zur Raumwahrnehmung.​

Geplante Gliederung
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1. Einleitung

  • Problemstellung & Relevanz
    In diesem Abschnitt stelle ich dar, warum die Navigation in komplexen Gebäuden ein reales Problem darstellt - sowohl aus nutzerzentrierter als auch aus architektonischer Sicht. Ich zeige auf, wie Desorientierung zu Stress, Ineffizienz und Ausschluss führen kann.

  • Zielsetzung und Leitfrage(n)
    Die zentrale Forschungsfrage lautet: Wie kann Architektur durch adaptive, visuelle Reize zur Verbesserung der räumlichen Orientierung beitragen? Ich erläutere, welche Hypothesen ich prüfe und welches Ziel ich verfolge.

  • Eigener Forschungsansatz und Positionierung im Forschungsfeld
    Ich beschreibe meinen interdisziplinären Zugang zwischen Architektur, Geoinformatik und Kognitionspsychologie und grenze mein Projekt von bestehenden Arbeiten ab.

  • Aufbau der Arbeit
    Überblick über den strukturellen Aufbau und die Logik der Gliederung.
     

​2. Forschungsstand und Theoretische Grundlagen

  • Raumkognition und Orientierungstheorien
    Überblick über zentrale Modelle wie kognitive Karten, Landmarken, Raumlernen und deren Einfluss auf Navigation.

  • Visuelle Aufmerksamkeit und Eye Tracking
    Vorstellung von Eye Tracking als Methode zur Erfassung von Aufmerksamkeitsfokussierung, mit Beispielen aus bisherigen Studien.

  • Adaptive Räume: Projektionssysteme, responsives Design
    Vorstellung existierender adaptiver Systeme in Museen, Retail oder Health Care und ihre Grenzen.
     

  • Architekturpsychologie / Human-Centered Design
    Wie beeinflussen Material, Licht, Maßstab oder Akustik die Orientierung? Verbindung zu Prinzipien des Human-Centered Designs.

  • Übersicht bestehender Methoden und Systeme
    Bewertung vorliegender Designstrategien und Identifikation von Forschungslücken.

3. Methodologie und Forschungsdesign

  • Mixed-Methods-Ansatz (qualitativ + quantitativ)
    Begründung für die kombinierte Nutzung von Experimenten, Interviews und Fragebögen zur umfassenden Erfassung subjektiver und objektiver Daten.

  • VR-Setups & Eye Tracking: Aufbau, Software, Versuchsanordnung
    Beschreibung, wie immersive 3D-Modelle erstellt und mit Eye Tracking kombiniert werden. Begründung der Tools (z. B. Unity, TouchDesigner).

  • Auswahl der Versuchspersonen / Testumgebungen
    Definition von Zielgruppen, ethische Rahmenbedingungen, Beschreibung der VR-Räume (z. B. Krankenhausflur vs. Museum).

  • Validierung, Skalierung, Replizierbarkeit
    Maßnahmen zur Sicherstellung wissenschaftlicher Qualität, wie Wiederholbarkeit der Szenarien und Datenstabilität.

  • Reflexion methodischer Grenzen
    Diskussion über mögliche Einschränkungen durch Technik, Testbedingungen oder Probandenauswahl.

4. Entwicklung des adaptiven Systems

  • Gestalterische und technische Grundlagen (TouchDesigner, Sensorik etc.)
    Überblick über technische Infrastruktur, die zur Echtzeitprojektion und Steuerung benötigt wird. Verbindung zum gestalterischen Anspruch.

  • Entwurf eines modularen Projektionssystems
    Konzeption eines Systems, das auf wechselnde Nutzungsbedingungen und Nutzergruppen reagieren kann.

  • Schnittstellen: Architektur - Software - Mensch
    Untersuchung der Interaktion zwischen Nutzenden und Raum durch Bewegung, Blickverhalten und Reaktion des Raumes.

  • Technischer Aufbau und Implementierung
    Beschreibung von Hardware-Komponenten wie Sensoren, Projektoren, Serverstruktur sowie Softwarelogik.

  • Raumbeispiel(e): Simulationsumgebung
    Konkrete Umsetzungsbeispiele für die Testumgebung (z. B. Flursituation mit und ohne Adaption).

5. Empirische Untersuchung

  • Durchführung der Eye-Tracking-Experimente
    Detaillierte Darstellung der Durchführung, Studiendesign und Abläufe.

  • Dokumentation und Auswertung (z. B. Heatmaps, Fixationsdaten, Orientierungserfolg)
    Methoden zur Visualisierung und quantitativen Analyse der gesammelten Daten.

  • Vergleichsgruppen: statisch vs. adaptiv
    Erklärung des Vergleichs zweier Szenarien - mit und ohne Projektionen - zur Effektivitätsmessung.

  • Interviews / subjektive Wahrnehmung
    Analyse qualitativer Rückmeldungen zu emotionaler Wahrnehmung, Unsicherheit und Verständlichkeit.

6. Analyse und Interpretation

  • Interpretation der Daten im Licht der Forschungsfragen
    Schlussfolgerungen aus quantitativen und qualitativen Befunden, Bezug auf Hypothesen.

  • Verbindung zur Theorie (z. B. kognitive Karten, emotionale Raumwahrnehmung)
    Rückbindung der Ergebnisse an theoretische Modelle und Diskussion von Implikationen.

  • Diskussion der Ergebnisse: Stärken, Schwächen, Grenzen
    Reflexion über die Aussagekraft der Daten, Herausforderungen bei der Übertragbarkeit und technologische Limitationen.

7. Entwurfs- und Planungsimplikationen

  • Übertragbarkeit in die architektonische Praxis
    Welche Gestaltungsempfehlungen können Architektinnen und Stadtplanerinnen konkret ableiten?

  • Empfehlungen für Planerinnen, Entwicklerinnen, Kommunen
    Politische, wirtschaftliche und soziale Kontextualisierung von Navigation als Bestandteil inklusiver Planung.

  • Integration in Designprozesse, partizipative Planung, universelles Design
    Zukunftsfähigkeit des Konzepts im Kontext aktueller Architekturparadigmen.

8. Fazit und Ausblick

  • Zusammenfassung der zentralen Erkenntnisse
    Synthese der wichtigsten Ergebnisse und deren Implikationen für Wissenschaft und Praxis.

  • Theoretischer, methodischer und praktischer Beitrag
    Bewertung des Innovationspotentials und der Relevanz im Forschungsfeld.

  • Weiterführende Forschungsperspektiven
    Ideen für Nachfolgeprojekte, etwa mit KI-Integration oder multisensorischer Erweiterung.

  • Gesellschaftlicher und ethischer Kontext
    Reflexion über mögliche ethische Fragestellungen (z. B. Überwachung, Individualisierung von Raum).

9. Literaturverzeichnis und Anhänge

  • Vollständige Quellennachweise
    Fachliteratur aus Architektur, Geoinformatik, Psychologie, HCI.

  • Technische Skizzen, Screenshots, Interviewleitfäden, Code-Ausschnitte (optional)
    Dokumentation der gestalterischen und technischen Umsetzung zur Nachvollziehbarkeit.

Forschungsstand

Theoretischer Hintergrund
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Die Forschung zu räumlicher Kognition hat gezeigt, dass visuelle Merkmale - insbesondere Symmetrie, Wiederholungen und fehlende Kontraste - die Orientierung stark beeinflussen (Carlson et al., 2010; Salingaros, 2020). Gleichzeitig haben sich Eye Tracking und Virtual Reality als präzise Werkzeuge etabliert, um visuelle Aufmerksamkeit und Orientierungsmuster im Raumverhalten zu analysieren.​

In meiner Vorarbeit „Designing for Direction“ (2024) habe ich Ursachen räumlicher Desorientierung umfassend aufgearbeitet. Dabei wurde deutlich: Architektur beeinflusst nicht nur Bewegung, sondern auch kognitive Prozesse - etwa durch Layout-Komplexität, multisensorische Reize oder das Vorhandensein (oder Fehlen) distinkter Raummerkmale.​

In meiner Masterarbeit untersuchte ich erste Ansätze adaptiver Projektionssysteme, die architektonische Räume in Echtzeit visuell modifizieren. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für den nun geplanten wissenschaftlichen Transfer in die Navigation.

Literaturrecherche
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Designing for Direction: How Architecture and Cognition Shape Building Navigation​

​​

1. Abstract​​

 

In modern architecture, the ability to navigate within buildings plays a crucial role, particularly in complex structures such as shopping centers, hospitals, or university buildings. Many users report difficulties in finding their way, leading to stress and inefficiency. This issue raises critical questions: What architectural, cognitive, and technological factors influence spatial perception and orientation? How can architects and designers apply these insights to create more navigable and user-friendly buildings?​

This literature review addresses psychological and cognitive aspects, architectural design principles, and the role of emerging technologies such as Virtual Reality in improving wayfinding. Through a structured und thematisch gegliederte Auseinandersetzung werden die Ursachen und Potenziale für bessere Orientierung im Raum analysiert. Die Ergebnisse bilden die theoretische Grundlage für das Dissertationsprojekt.

2. Why People Get Lost in Buildings: Visual Uniformity and Its Impact on Orientation​​​

 

2.1 Visual Uniformity and Its Impact on Orientation

Hannes Eisler, in “Multidimensional similarity: An experimental and theoretical comparison of vector, distance, and set theoretical models II”, examines subjective spatial perception using multidimensional analysis. His research highlights how visual uniformity within architectural spaces can hinder individuals’ ability to distinguish different areas, leading to disorientation (Eisler & Roskam, 1977). This foundational work supports the hypothesis that differentiation is key to orientation.

2.2 Complexity of Building Layouts

Carlson et al. (2010), in their study "Getting Lost in Buildings," explore key architectural factors contributing to disorientation. Complex layouts with many intersections and lacking spatial hierarchies were found to increase confusion. Their research, echoed in Jamshidi et al. (2020), suggests that simpler, intuitive floorplans improve users’ wayfinding performance. The absence of structural legibility is seen as a core design flaw.

​​

2.3 Lack of Distinctive Wayfinding Signs

Jamshidi, Ensafi, and Pati (2020) offer a comprehensive review of wayfinding in interior environments. They emphasize the importance of clear, recognizable signage and its placement. Their review compiles numerous case studies, indicating that legible, semantically intuitive signage systems significantly improve navigability and user confidence. This aligns with architectural strategies that incorporate visible landmarks, contrasting materials, and integrated signage design.

2.4 Psychological Effects of Spatial Design

Lauri Nummenmaa et al. (2018), in their study “Maps of Subjective Feelings,” analyze how spatial design affects emotional and cognitive states. Their findings underline the importance of accounting for affective factors and cognitive load in spatial layout. Overwhelming or monotonous environments increase stress, while emotionally supportive spatial cues improve orientation. These insights suggest a direct link between architectural form, mental processing, and spatial performance.

 

3. The Uniformity of Architectural Spaces

3.1 The Aesthetic-Functional Ambiguity of Uniformity

Nikos A. Salingaros, in his essay "Symmetry Gives Meaning to Architecture," discusses how uniformity and repetition in architectural design can impact spatial cognition. While visual consistency may offer a sense of coherence, its overuse reduces spatial differentiation, which is crucial for orientation (Salingaros, 2020). Particularly in large-scale environments, repeated forms and surfaces can lead to perceptual disorientation, as users struggle to identify unique reference points. This reinforces the need to balance aesthetic order with functional clarity.

3.2 Symmetry and Its Role in Navigational Clarity

Symmetry is often perceived as harmonious and aesthetically pleasing, but its spatial effects are nuanced. Azemati et al. (2020) investigate how symmetrical Fassaden are interpreted by users. While symmetry contributes to visual balance, the authors argue that excessive or uncontextual symmetry can obscure spatial cues critical for orientation. When every corridor or facade appears identical, spatial learning is inhibited. Their work highlights the need to distinguish visual harmony from functional legibility.

3.3 Standardization and the Loss of Spatial Differentiation

Standardization, driven by efficiency in the construction industry, leads to uniform spatial typologies. Haunert (2012) shows how automated design and urban modeling routines reinforce visual repetition. His work on symmetry detection in maps and urban forms provides insight into how computational tools could be repurposed not only to analyze but also to counteract uniformity. This aspect is particularly relevant to the geoinformatic components of my dissertation, where algorithmic tools could be integrated into adaptive navigation support systems.

3.4 Aesthetic Priorities vs. Wayfinding Performance

Gieryn (2002) explores the cultural and symbolic meanings of buildings, emphasizing how design choices are often shaped by values beyond functionality. While architecture as expression is important, neglecting navigational clarity in favor of pure formalism can alienate users. His thesis that “what buildings do” includes shaping behavior and experience reinforces the argument that form and function must co-evolve. Orientation is not an afterthought; it is a core aspect of architectural performance.

4. Measuring and Applying Symmetry in Architectural Practice

4.1 Quantifying Symmetry: From Theory to Application

Nikos A. Salingaros provides a conceptual basis for symmetry in architecture, but its operationalization in digital workflows requires concrete tools. His theories about pattern recognition and visual order serve as a reference for current methods aiming to quantify spatial structures. Symmetry becomes a parameter of navigational efficiency when linked to visual landmarks, transitions, and node distinction.

4.2 Symmetry Detection in Digital Design Tools

Haunert (2012) introduces algorithmic symmetry detection in urban space analysis and map generalization. While developed for cartographic simplification, these tools have strong potential for use in architectural layout evaluation. Their ability to detect redundant structures and mirror geometries may support the development of navigation-sensitive design guidelines. Integrating such methods into architectural BIM workflows could allow for real-time feedback on spatial clarity during design.

4.3    The Double-Edged Nature of Symmetry

Bruns and Egenhofer (n.d.) address the perceptual ambiguity of spatial similarity. Their work highlights that while symmetry may enhance coherence, excessive similarity can reduce spatial memorability. In navigation, not all symmetry is beneficial distinguishability is more important than balance. This tension must be carefully managed in design: symmetry can structure, but also confuse.

4.4 Case Study Analysis: Cognitive Principles in Iconic Designs

Werner and Long (2003) explore architectural cognition through the lens of Le Corbusier’s work. Their case studies show how spatial sequences, perspective shifts, and contrastive volumes support wayfinding even in geometrically rigid environments. They argue for a cognitive reading of design, where spatial decisions are guided not just by form, but by experiential clarity. These findings strengthen the argument that good architecture internalizes cognitive principles.

 

5. Spatial Abilities and Educational Approaches

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5.1 Gender and Individual Differences in Spatial Skills

Research on spatial ability consistently shows individual variability, especially regarding gender differences. Studies in architecture education highlight that men and women often exhibit distinct strengths in spatial visualization and mental rotation. These differences suggest a need for inclusive educational strategies that address diverse cognitive profiles (Frontiers).

5.2 Virtual Reality as a Tool for Spatial Training

Emerging evidence points to Virtual Reality (VR) as a powerful medium for enhancing spatial understanding. In comparison to static 2D exercises, VR enables embodied exploration and dynamic rotation, improving both performance and engagement (MDPI). For architecture students, this means that abstract spatial concepts can be experienced interactively closing the gap between design theory and spatial intuition.

5.3 Cognitive Mapping and Multisensory Learning

Cognitive maps help individuals encode and retrieve spatial knowledge. Spatial learning is strengthened when visual, auditory, and haptic information converge. SpringerLink studies show that multisensory learning environments especially those that support wayfinding enhance long-term spatial memory. These insights reinforce the relevance of perception-oriented design strategies in architectural education.

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5.4 Architectural Complexity and Spatial Imagination

Multi-storey buildings with complex circulation patterns challenge even advanced users. Spatial imagination is essential for mental restructuring of vertical movement. Studies from SpringerOpen reveal that learners trained in rotating and elevating perspectives develop stronger mental models of complex structures. This supports the use of 3D visualization and scenario-based learning in spatial design curricula.

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6. Multisensory Architecture and Health-Oriented Design

6.1 Sensory Environments and Psychological Well-being

Multisensory environments influence emotional and cognitive states. Studies from SpringerOpen demonstrate that spaces addressing sight, sound, and touch reduce anxiety and promote well-being. Particularly in healthcare architecture, where stress levels are elevated, multisensory design can improve both patient outcomes and spatial orientation.

6.2 Wayfinding in Healthcare Settings

Healthcare facilities often feature complex layouts that confuse users. BilPub Group research on Nigerian hospitals uses axial analysis to show how poor spatial legibility affects movement. Improved layout logic, material contrasts, and spatial landmarks are shown to improve orientation. These insights are transferable to other building types with high cognitive demands.

6.3 Landscape and Outdoor Navigation Challenges

Spatial abilities are not limited to indoor architecture. In landscape architecture, navigation over varied terrain introduces challenges of scale and orientation. MDPI studies emphasize the need for intuitive paths, clear edges, and multisensory stimuli (e.g., soundscapes, textures) to enhance outdoor wayfinding. Education in this field increasingly adopts multisensory design as a pedagogical tool.

6.4 Cultural and Historical Patterns of Spatial Experience

Historical urban planning integrated natural patterns and perceptual logic long before digital tools emerged. SpringerLink literature shows how spatial logics were culturally encoded e.g., axiality in classical cities or modularity in Islamic architecture. These logics shaped navigational ease. Understanding their relevance today opens avenues for integrating tradition-informed orientation strategies.

7. Technological Tools for Enhancing Wayfinding

7.1 Virtual Reality as Testing Environment

Virtual Reality (VR) allows architects to simulate navigation scenarios and evaluate user experience in real time. It provides an immersive platform to identify spatial confusion, optimize signage, and test alternative layouts. The iterative process becomes more data-driven, as eye tracking and movement data from VR sessions reveal behavior patterns that inform design refinement.

7.2 Eye Tracking for Spatial Attention Mapping

Eye tracking technology reveals where users focus their attention, which cues they ignore, and when visual overload occurs. This insight is critical for understanding perceptual thresholds and designing for cognitive efficiency. Eye tracking also helps identify visual hierarchies and evaluate if wayfinding elements attract attention as intended.

7.3 Adaptive Projection as Interactive Navigation Aid

Building on my Master’s work, adaptive projection offers a dynamic approach to spatial communication. Projection-mapped signage, floor arrows, or ambient animations can change based on user position, gaze, or time. This interactivity enhances engagement and allows personalized wayfinding in complex environments. Its application in museums, hospitals, or transit hubs offers promising results.

7.4 Toward Personalized Navigation Systems

By combining VR simulation, eye tracking data, and adaptive projection, environments can respond to real-time perception and behavior. This fusion enables personalized navigation assistance projecting different cues based on user needs, stress levels, or previous behavior. It represents a paradigm shift from static signage to responsive environments tailored to cognitive diversity.

8. Towards an Integrative Theory of Navigability

8.1 From Fragmented Findings to Cohesive Principles

Across architectural, psychological, and technological disciplines, diverse insights have emerged on how individuals perceive, interpret, and move through space. Yet, these findings are often siloed, leading to a fragmented understanding of wayfinding. An integrative theory must consolidate visual cognition, environmental psychology, and interaction design into a unified framework.

8.2 The Triad of Spatial Orientation: Visual, Cognitive, Responsive

This review identifies three foundational domains of navigability:
Visual: The spatial configuration, landmarks, and graphical signage shape first impressions and mental maps.
Cognitive: Users interpret environments based on memory, attention, and prior experience. Emotional factors modulate spatial understanding.
Responsive: Environments that adapt to perception through projection, lighting, or smart systems can guide users dynamically and reduce uncertainty.

8.3 Navigability as a Performance Metric in Design

Navigability should not be viewed as a secondary quality, but as a central performance criterion in architectural design. Like energy efficiency or structural stability, wayfinding effectiveness can be simulated, measured, and optimized. Eye tracking, spatial analytics, and user testing (virtual or real) become tools for iterative refinement.

8.4 Design Implications and Future Research

An integrative theory encourages designers to move beyond intuition or convention. Instead, they can draw on empirical data to inform spatial zoning, circulation routes, and material choices. Future research should focus on hybrid models that combine predictive user behavior, adaptive systems, and embedded cognition especially in high-stakes environments like healthcare, transit hubs, or educational campuses.

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9. Analyzing Spatial Structures and Wayfinding

9.1 Spatial Configuration and Navigation Behavior

Studies in airports and hospitals show how layout patterns such as axial symmetry, node density, and segment length affect navigational performance. SpringerLink and SpringerOpen literature suggests that certain spatial geometries facilitate better mental mapping and movement efficiency, especially when supported by visual cues.

9.2 Behavioral Analysis in Complex Spaces

Advanced tracking methods, including motion mapping and behavioral heatmaps, allow the analysis of pedestrian behavior. These tools reveal decision points, confusion zones, and the effectiveness of navigational aids. They serve as critical evaluation mechanisms for iterative design.

9.3 Gender Differences in Wayfinding Performance

Research has uncovered gender-related differences in spatial perception and strategy use. Men tend to rely more on metric orientation; women often perform better using landmarks and relative spatial relationships. These findings suggest that universal design must accommodate diverse navigational approaches.

10. Historical and Cultural Influences on Spatial Concepts

10.1 Evolution of Spatial Organization

From Roman grid cities to Islamic courtyard typologies, historical design strategies reflect deeply ingrained cultural logics. These systems often embody intuitive orientation principles centrality, hierarchy, axiality that remain relevant today.

10.2 Cultural Cognition and Urban Navigation

Different cultures develop different cognitive maps. Collectivist cultures, for example, emphasize communal orientation cues, while individualist cultures favor self-referenced spatial logic. Designing for diverse users requires an awareness of these cognitive-cultural dimensions.

10.3 Tradition-Inspired Design Principles

Reviving historical patterns (e.g., sight lines to domes, orientation toward courtyards) can enhance spatial legibility. This doesn’t mean returning to the past, but abstracting principles that support clarity and identity in contemporary design.

11. Environmental and Health Psychology in Architecture

11.1 Sick Building Syndrome and Design Factors

Research shows that overly uniform, poorly ventilated, or visually monotonous spaces contribute to stress and health issues, such as Sick Building Syndrome (SBS). Architecture must consider the sensory and psychological needs of users.

11.2 Spatial Design and Emotional Regulation

Spaces with balanced light, tactile diversity, and acoustic control help modulate mood and attention. Evidence from SpringerOpen suggests that these qualities also improve orientation and reduce cognitive fatigue.

11.3 Design for Well-being and Navigability

Wayfinding and well-being are interlinked: confused users experience higher stress. Conversely, environments designed with multisensory and cognitive principles foster emotional stability and efficient navigation.

12. References

  • Azemati, H., Jam, F., Ghorbani, M., Dehmer, M., Ebrahimpour, R., Ghanbaran, A., & Emmert-Streib, F. (2020). The role of symmetry in the aesthetics of residential building façades using cognitive science methods. Symmetry, 12(9), 1438. https://doi.org/10.3390/sym12091438

  • Bruns, H. T., & Egenhofer, M. J. (n.d.). Similarity of spatial scenes.

  • Carlson, L. A., Hölscher, C., Shipley, T. F., & Dalton, R. C. (2010). Getting lost in buildings. Current Directions in Psychological Science, 19(5), 284-289. https://doi.org/10.1177/0963721410383243

  • Eisler, H., & Roskam, E. E. (1977). Multidimensional similarity: An experimental and theoretical comparison of vector, distance, and set theoretical models II. Acta Psychologica, 41(5), 335-363. https://doi.org/10.1016/0001-6918(77)90013-0

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  • Haunert, J.-H. (2012). A symmetry detector for map generalization and urban space analysis. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 74, 66-77. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2012.08.004

  • Jamshidi, S., Ensafi, M., & Pati, D. (2020). Wayfinding in interior environments: An integrative review. Frontiers in Psychology, 11. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2020.549628

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  • Werner, S., & Long, P. (2003). Cognition meets Le Corbusier Cognitive principles of architectural design. In C. Freksa, W. Brauer, C. Habel, & K. F. Wender (Eds.), Spatial Cognition III (pp. 112-126). Springer. https://doi.org/10.1007/3-540-45004-1_7

 

​End of Literature Review - prepared as part of the PhD application by Linus Manuel Schilling, Universität Münster, 2025.

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