文／王詩瑤 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院

丁雨恬 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院

劉安雋 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院

初欣芮 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院

楊玉婷 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院

李慧莉 大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院 講 師（通訊作者）

引言

隨著時代的發(fā)展，人們的生活愈加豐富多彩，愈加追求生活用品智能化。其中，體感互動技術(shù)成為日益被關(guān)注的新興研究領(lǐng)域。人機(jī)體感交互技術(shù)是未來計(jì)算機(jī)用戶界面設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一[1]。人們可以直接使用肢體動作與周邊的裝置或環(huán)境互動，而無須使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備[2]。當(dāng)其應(yīng)用于照明系統(tǒng)中時，其時效性與方便性可大大提高人們的融入式體驗(yàn)感和生活質(zhì)量。

當(dāng)今照明系統(tǒng)智能化主要聚焦于電壓電流平衡以及開關(guān)控制，照明方式一般為大面積照亮整個室內(nèi)，其中體感交互技術(shù)主要應(yīng)用方向?yàn)閂R交互融合、燈光智能控制、可攜帶設(shè)備等，導(dǎo)致空間單體變化與光影變化形式單一，人與環(huán)境的融合度不高，人們難以感受光影的律動之美。光與影的變幻在黑暗的環(huán)境內(nèi)更能體現(xiàn)交互的韻律之美，本項(xiàng)目基于光與影的藝術(shù)效果，以智能硬件為技術(shù)支持，將機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能硬件結(jié)合，致力于帶給觀賞者更好的視覺體驗(yàn)和設(shè)計(jì)出更新穎、巧妙的交互裝置。通過對本項(xiàng)目研究的簡單變換和推廣，能夠設(shè)計(jì)出更多變幻的場景交互裝置，應(yīng)用于不同主題的博物館中，帶給游客豐富的觀賞體驗(yàn)。

1 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢調(diào)研

國外燈光交互源于20 世紀(jì)60 年代的燈光藝術(shù)與裝置藝術(shù)，以光為材料，以實(shí)物為載體，通過空間形式來展現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交互開始與燈光裝置結(jié)合。20世紀(jì)70年代中期，“多媒體”概念出現(xiàn)，燈光開始作為一種媒介被綜合運(yùn)用于互動裝置藝術(shù)作品中[3]。之后隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，燈光交互逐漸發(fā)展起來，在許多國家的燈光節(jié)中，燈光互動裝置往往成為最吸引游客的部分。

相較于國外來說，國內(nèi)的燈光交互裝置起步較晚，90 年代中后期，影像、聲音及燈光等才開始被簡單地運(yùn)用到交互裝置中。21 世紀(jì)至今，燈光交互裝置才在國內(nèi)逐漸發(fā)展起來。在政府的支持下，相關(guān)研究迅速發(fā)展，部分高校也設(shè)立相應(yīng)專業(yè)與課程，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才。

為了營造更好的交互體驗(yàn)，目前的燈光交互設(shè)計(jì)逐漸致力于為用戶創(chuàng)造沉浸式體驗(yàn)。沉浸式燈光互動載體通常分為四類，分別為地面互動載體、立面互動載體、裝置類互動載體及天空無人機(jī)類互動載體。交互方式主要分為兩大方面，分別是，界面式人機(jī)交互和沉浸式人機(jī)交互。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體感技術(shù)不斷完善，燈光交互更多地與體感技術(shù)結(jié)合，燈光交互的形式也越來越豐富，給用戶營造了良好的沉浸式體驗(yàn)。

2 相關(guān)案例

《呼應(yīng)燈森林Forest of Resonating Lamps》是日本TeamLab 藝術(shù)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一款燈光交互裝置，其最大特點(diǎn)即將偏向個人活動的創(chuàng)造性行為轉(zhuǎn)換為偏向群體活動的共同性行為[4]。當(dāng)觀眾靜止地站在燈附近時，最近的燈會發(fā)出強(qiáng)烈的光和聲音，之后光將傳播到最近的兩個燈，讓其閃爍相同的光并發(fā)出相同的聲音，然后再次傳播到最近的燈，并繼續(xù)延伸。最初的光芒將使所有的燈發(fā)出一次最強(qiáng)光，并最終返回到原始燈[5]。

3 靈感來源——教學(xué)樓室內(nèi)照明空間單體變化與光影變化形式單一問題

教學(xué)樓室內(nèi)照明方式均為一般照明，即將若干照明燈具對稱排列在頂棚上，不考慮局部的特殊需要而照亮整個室內(nèi)。該照明方式光源功率及耗電量較大，布燈形式呆板、空間單體變化與光影變化形式單一、人與環(huán)境的融合度不高，人們難以感受光影的律動之美，亟須改造。（場地選址：大連理工大學(xué)第一教學(xué)館、大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)館）

4 項(xiàng)目研究對象與方法

4.1 研究對象

本項(xiàng)目采用整體取樣的方法，選取教學(xué)樓室內(nèi)照明空間為研究對象，同類型其他建筑作為對照組。

4.2 研究方法

準(zhǔn)備階段，主要采用場地觀察、實(shí)地調(diào)研、問卷調(diào)查、查閱文獻(xiàn)等研究方法，進(jìn)一步確定研究對象及研究內(nèi)容，為項(xiàng)目研究提供事實(shí)依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

實(shí)施階段，主要采用行動研究的方法，根據(jù)實(shí)際檢測各種照明方式的亮度與耗電量關(guān)系等數(shù)據(jù)以及對用戶感受的調(diào)查分析，摸索燈光交互方式經(jīng)驗(yàn)，推新設(shè)計(jì)方案，同時收集各階段個案數(shù)據(jù)，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)將差異情況及解決方法進(jìn)行分類、比較，形成檔案式資料，通過組內(nèi)探討總結(jié)多個代表性個案并形成一定的理論雛形。

總結(jié)階段，主要采用數(shù)據(jù)分析總結(jié)法，對文獻(xiàn)資料和調(diào)研結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和總結(jié)，確定設(shè)計(jì)方案[6]。

5 燈光交互裝置設(shè)計(jì)

從人機(jī)智能交互與空間中單體互動角度，通過與控制系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)科進(jìn)行學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)人體、激光與空間視覺效果變換的互動效果，同時結(jié)合視覺傳達(dá)、立體構(gòu)成、機(jī)械結(jié)構(gòu)、程序控制等多個領(lǐng)域?qū)W科，通過多學(xué)科交叉的研究，從設(shè)計(jì)方案到后期實(shí)際模型制作，整體了解應(yīng)用人機(jī)交互裝置設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，使其具有推廣價值和藝術(shù)鑒賞價值。

5.1 程序設(shè)計(jì)分析

交互方式設(shè)計(jì)主要分為四大模塊進(jìn)行：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互以及控制運(yùn)動。通過VL53LOX 激光測距模塊精確測量人體移動距離，產(chǎn)生精度±3%的距離信號，并通過IIC 通信將傳感器信號傳遞至Arduino Micro 控制器，使其產(chǎn)生舵機(jī)與燈帶的控制信號并分別傳輸至舵機(jī)驅(qū)動板、大功率MOS 管，通過PWM 同步驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動以控制窗戶單體開合、控制燈帶產(chǎn)生明暗變化，最終達(dá)到人機(jī)交互控制及智能感知控制。調(diào)光應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場合、所處環(huán)境、作業(yè)要求和不同的人進(jìn)行等級設(shè)計(jì)；調(diào)色必須與應(yīng)用場合及其照明水平相適應(yīng)；調(diào)頻則應(yīng)根據(jù)調(diào)制頻率限定其波動深度[7]。

5.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對照明空間單體變化與光影變化形式單一問題，設(shè)計(jì)基于光影律動和六邊形中三角形旋轉(zhuǎn)律動的大型人體感應(yīng)智能交互裝置，每個單體由一個正六邊形組成，每個正六邊形被分割成6 個正三角形，每個正三角形又被分割成3 個相同的等腰鈍角三角形。正六邊形中央設(shè)有人體測距紅外感應(yīng)裝置，六邊形邊框設(shè)有亮度可變化的燈帶，人靠近時板均勻翻轉(zhuǎn)緩緩打開，燈緩緩變亮；人離開時板緩緩閉合，燈緩緩變暗。通過人走過的路徑交互使板子律動變幻、光影明暗交織，以空間中單體變化和光影律動打造震撼的視覺效果（圖1—圖3）。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1（圖片來源：作者自繪）

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2（圖片來源：作者自繪）

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3（圖片來源：作者自繪）

5.3 材料選擇

機(jī)械材料包含亞克力、銅柱、螺絲、自攻螺絲、不銹鋼絲桿螺桿牙條、復(fù)合軸套等，電子材料包含PWM 調(diào)節(jié)電子開關(guān)控制板、12v2835/60型LED 燈帶、LM2596S 直流可調(diào)降壓模塊、電源適配器、MG90s 舵機(jī)、Arduino micro 控制器、GY-530VL53L0X 激光測距傳感器、16 路PWM舵機(jī)驅(qū)動板等（圖4）。

圖4 單體實(shí)物圖（圖片來源：作者自攝）

5.4 進(jìn)階設(shè)計(jì)——博物館等黑暗環(huán)境照明系統(tǒng)中的人機(jī)交互問題

博物館等黑暗環(huán)境一般采用局部照明的方式，光影為靜止?fàn)顟B(tài)，交互方式一般采用VR 游戲互動，然而當(dāng)人們不玩游戲時體驗(yàn)感便大大降低。針對提高人們于建筑內(nèi)的融入式體驗(yàn)感，通過人體感應(yīng)硬件和編程完成人體交互設(shè)計(jì)。

在正對互動裝置墻面的位置放一束可控激光，人可以操作屏幕控制激光的位置變化和運(yùn)動速度，光敏感應(yīng)代替紅外感應(yīng)，追蹤光影實(shí)現(xiàn)律動，同時每個單體后方的光源強(qiáng)度隨著板子的開合均勻地變化，達(dá)到“光動律影”的韻律之美（圖5）。

圖5 整體效果圖（圖片來源：作者自繪）

結(jié)語

研究階段，受實(shí)際購買渠道及成本限制，相關(guān)材料的選擇范圍會有所縮減，相關(guān)性能會有所削弱；此外受實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件影響，加工方式及場地會有所限制。在推廣應(yīng)用時期，可根據(jù)具體工程的成本預(yù)算，再設(shè)計(jì)相適應(yīng)的材料搭配和組合方案，靈活調(diào)整加工措施，使其加工成本降低并能夠進(jìn)行大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。