多傳感器融合技術在公共藝術設計中的應用

摘 要：科技與設計的發展密不可分，自計算機成為設計領域內重要部分之后，傳感時代的到來為設計尤其具交互特性的公共藝術設計帶來了新的思路。本文將先進于普通單傳感器系統的多傳感器融合技術引入公共藝術設計，介紹了多傳感器融合技術的基本原理和系統組成，從多個角度對多傳感器融合技術在公共藝術領域的應用優勢進行了分析，并給出了應用實例模型，為公共藝術設計的下一步發展提出啟迪。

關鍵詞：多傳感器；數據融合；公共藝術

現代科學技術的發展對設計領域產生了巨大的影響，科學與藝術的溝通聯系著設計的傳統與未來。由于計算機技術自出現以來的迅猛發展，如今已成為設計領域內的重要組成部分，引起設計的重構。[1]從某種意義上說，在信息社會中高科技藝術正在成為的一種普遍藝術樣式。繼計算機技術之后，傳感技術隨著觸屏、三軸陀螺儀等傳感器在電子設備中的廣泛應用進入了人們的生活，給藝術設計帶來了新的可能和機遇。尤其是在公共藝術領域，由于其交互性的重要特征對如何高效地從環境、人群中提取有效信息提出了更高的需求。在先進傳感技術中，多傳感器融合作為一種高智能地從環境中獲取一致性綜合信息的技術給設計帶來了新的契機。

1 多傳感器融合技術簡介

多傳感器融合技術可類比于人類邏輯系統中自然實現的基本功能，是用機器實現人類由感知到認知過程的模仿。在人類對客觀事物的認知過程中，首先使用來自人體中的傳感器（眼、耳、鼻、皮膚等）通過聽、嗅、視、觸、味五覺對客觀事物信息（景物、聲音、氣味等）進行多方位、多種類的感知，從中獲得大量冗余和互補的信息。然后根據人腦的先驗知識去對這些信息進行相關分析與處理，進而估計、理解周圍環境和正在發生的事件，獲得對客觀事物統一與和諧的理解與認識。這就是人的復雜的，同時也是自適應的認知過程。人類的感官由于具有各自不同的度量特征可以在不同空間范圍內對各種事件進行反應。人腦把各種信息（圖像、聲音、氣味、形貌、上下文等）轉換成對事物有價值的一致性解釋，需要大量不同的智能處理，以及適用于解釋組合信息含義的知識庫。

傳感器可以類比于人的感知器官：通過不同的原理對自然界的光、熱、聲、磁等信號進行捕捉，由換能器將其轉換成電信號，再數字化后經通訊系統傳遞給計算機進行處理。單傳感器系統只能從單個度量維度獲得片面的、局部的特征信息，信息量十分有限。同時單個傳感器本身的累計誤差對系統造成的影響也無法消除。[2]因此，想要獲得對事物的一致性準確解釋，單一傳感器系統力有不足。

多傳感器融合技術把多個不同種類的傳感器集中于同一個感知系統中，將各個傳感器來的數據進行數據融合，形成對被測事物更準確認識。它出現在20世紀70年代初期，最早應用于軍事領域，后于20世紀80年代發展起來。近年來隨著計算技術、遙感技術、通訊技術以及微電子制造業的迅猛發展，多傳感器信息融合技術成為了一個熱門的研究方向，獲得了更廣泛的應用。例如，在人機交互領域，要實現人機交互所追求的最終目標“自然人機交互”，對于人、環境的解讀尤為重要，[3]這正是多傳感器融合技術的優勢所在。

2 多傳感器融合系統的基本組成及技術原理

多傳感器融合技術，雖然沒有一個嚴格的定義，但可以基本概括為： （1）充分利用多傳感器數據資源（來自不同時/空范圍）。 （2）在一定的規則下對多傳感器所得檢測數據進行綜合分析。 （3）獲得一致性解釋并根據所設算法實現相應的決策或估計，實現整個系統獲得比各單傳感器更加充分的信息。[4]多傳感器融合系統一般由如圖1所示的三個部分組成：傳感器部分（包括數據獲取及預處理）、數據融合部分、結果輸出部分。

多傳感器融合系統就像一個為了實現“對被測對象的一致性解釋或描述”而有機裝配而成的整體，可類比于人的身、腦綜合信息處理系統。其中多傳感器系統是整個系統獲取數據的硬件基礎和手段，所得多源信息成為數據融合的對象；融合是指對數據的協調優化和綜合處理，也是聯系整個系統的核心。它無法用單一的技術來解決，而是多種跨學科技術、理論的綜合。

多傳感器融合系統同單傳感器系統相比，其系統的復雜性大大增加的同時從自然界所獲得的信息量也成倍增長。多個傳感器的存在從時間和空間的角度都擴展了信息獲取的覆蓋范圍，[5]而傳感器之間的協同作業則提高了信息獲取的概率，對于某個傳感器不能顧及的檢測對象，可由其他傳感器完成工作。在某個傳感器出現故障、受干擾或不可用的情況下，系統仍有其他傳感器可以提供信息，不易受到破壞。

各傳感器在信息融合系統中所得的數據、信息具有不同的特征，可以是實時/非實時，快變/緩變，模糊/確定，相互支持/互補，相互矛盾/競爭等等。在系統中，這些復雜的數據不是孤立而是融合的，所得最終信息并不是各傳感器信息的簡單加和，需要根據各傳感器之間的邏輯關系依據智能算法進行聯合、相關、組合推導出更多的信息。利用多個傳感器協同作業的多傳感器融合相比由它的各個傳感器分別構成單獨系統再加和而成的系統集更有優勢。

3 多傳感器融合技術在公共藝術設計中的應用

利用多傳感器融合技術進行公共藝術設計，將前沿科技與傳統藝術方式集成在一起，是一種全新的嘗試。從字面意思的理解來看，公共藝術分為公共和藝術兩個獨立的定義，可以理解為：具有“公共性”含義的藝術形式。其界定的核心原則就是“公共性”。“公共”就意味著公共藝術作品必須是能與民眾產生自由交流的一種藝術形式，要以公眾自主、自由參與到公共藝術中為前提，任何缺少與民眾之間自由評論和互動的藝術形式都不是公共藝術。[6]因此，公共藝術不能僅僅是“藝術家創作”的藝術，而是一種“公共互動”的藝術。如何讓公眾自主自由參與到藝術作品中，形成真正的“公共藝術”是藝術家們亟待解決的重要問題。完整的公共藝術作品必須是“表達”與“吸收”經互動過程的完整呈現?！拔铡钡氖莵碜怨姷乃枷?，由公眾的行為進行表達，通過互動產生交流。因此，藝術家們需要考慮的一個重要問題是，如何由公眾的行為導向公眾思想的表達，形成有效的交互。在日本藝術家草間彌生（Yayoi Kusama）創造的作品The Obliteration Room中，草間彌生構建了一個純白色的房間，每個參觀者都將被發放一張彩色波點貼紙，參觀者可以根據喜好將貼紙貼在房間中的任意位置?？臻g中的每一個彩色波點都是參觀者對此次參觀經歷的一種表達。[7]endprint

從參觀者的行為、思想的角度進行考慮，人類對于思想的表達具有多樣性，有顯式的主動動作、行為、語言等等，也有隱式的如表情、眼動、甚至氣味及生化物質（如唾液、汗液、荷爾蒙等）的分泌。傳統的藝術作品（如圖2例）主要是從公眾顯式的主動作為中獲得表達形成交互，所受限制較大，參與門檻較高。將多傳感器融合系統應用于公共藝術，首先拓寬了公眾思想的行為來源，降低了公眾參與的門檻。目前，在國內外已出現了一些基于單傳感器的公共藝術作品，但單傳感器的單一數據來源、不可靠、易受干擾、不穩定等技術局限性使其發展受到限制。隨著先進傳感技術的飛躍，除了人類的主要信息來源聲音、光、力等自然信號之外，甚至在人傳感器力所不及的范疇如紅外、紫外等非可見光區域，次/超聲波區域，非揮發性痕量生化物質等，我們也能夠通過先進傳感技術獲得所需要的信息。通過多傳感器融合技術所帶來的巨大優勢，科技比人類更懂得人類已經不再是夢想。將多傳感器融合系統應用于公共藝術，降低了公眾參與公共藝術的閾值。多傳感器融合系統對于公眾行為的捕捉不是被動的，而是主動地感知公眾的行為，將公眾“拉”入參與公共藝術的行為中，為公共藝術的設計提供了一種嶄新的思路。

以城市中某廣場為例，在人們進入廣場時，形成參觀經歷。假設給每個人分發一張彩色波點紙，通過張貼彩色波點紙的顯示行為進行表達，即形成類似草間彌生潔凈之屋的效果。在沒有彩色波點紙的情況下，人們對其參觀經歷產生隱式的表達。例如，不同的面部表情、走路的步長、速度、方向等等。公眾的這些隱式表達可以使用多傳感器融合系統進行捕捉。使用彩色數字投影代替彩色波點紙，每一種顏色對應多傳感器融合系統所得到的一致性結論。例如，紅色對應熱情、綠色對應平靜、不同程度的黑色對應一些負面情緒如沮喪等，形成交互。此例的多傳感器融合系統中，使用攝像裝置及壓力感應裝置對人群進行檢測，即通過攝像裝置對公眾面部表情進行捕捉、壓力傳感器對公眾步態進行捕捉。二類傳感器所得數據需進行時間、空間二個層面的融合。時間融合主要是將單傳感器的數據進行融合，是指對不同時間點的檢測數據進行融合。空間融合適用于多傳感器所得信息的一次融合處理，是指對不同位置、類型傳感器在同一時刻的檢測數據進行融合。在融合過程中，需要結合圖像識別技術、步態分析對公眾的面部表情、步態行為進行特征數據提取、分析，從而得出對該參與個體的一致性結論，并根據設計需求予以分類。此處可分為熱情、平靜、沮喪等類別，每一個類別對應于一種顏色，由數字投影進行表達。該“波點”設計的簡單模型如圖3所示。

隨著多傳感器融合系統中傳感器數量、種類的不斷增加，可根據歸屬將公共藝術裝置中使用的傳感器分為兩類：第一類傳感器從屬于裝置藝術本身，由藝術家根據藝術表達的需求進行設計安裝。第二類傳感器從屬于公眾，來自公眾隨身攜帶的電子設備，藝術裝置提供數據接口，從中獲取數據。二類傳感器協同作業，通過融合中心進行數據融合，得到全方位多角度的“立體信息”。將多傳感器融合系統應用于公共藝術裝置，是實現公共藝術公共性的有力保障。

從設計目的的層面考慮，根據馬斯洛的理論，將人的需求由低級層次到高級層次依次分為5個層次：生理、安全、社會、尊重以及自我實現。公共藝術的實質就是滿足人的真正需求，而不是公共藝術裝置的物質形態本身。多傳感器融合系統對所得多元數據進行多種層次上的融合，實現對人腦綜合信息處理的高級模仿，深刻挖掘公眾表面行為背后的含義，幫助藝術家們分析、理解、滿足公眾的真正需求。隨著分布式計算、通訊、云計算、物聯網等技術與多傳感器數據融合技術的共進發展，多傳感器數據融合技術所能實現的功能也越來越強大?？梢灶A見，隨著數字化進程的進一步深入，多傳感器融合技術與公共藝術的結合必將帶給我們更多的驚喜。

參考文獻：

[1] 付志勇.設計的重構——論計算機對設計的變革[J].裝飾，1995（04）：46-47.

[2] 楊萬海.多傳感器數據融合及其應用[M].西安電子科技大學出版社，2004.

[3] 王熙元.交互設計中的信息傳達研究[J].包裝工程，2010，31（12）：12-14.

[4] 劉同明，夏祖勛，解洪成.數據融合技術及其應用[M].國防工業出版社，2000.

[5] 王祁，聶偉.分布式多傳感器數據融合[J].傳感器技術，1997，16（5）：8-10.

[6] 王峰，過偉敏.數字化城市公共藝術交互性內涵研究[J].包裝工程，2010，31（24）：124-127.

[7] Jobson C.This is What Happens When You Give Thousands of Stickers to Thousands of Kids.2012：Retrieved June 6，2013 from Colossal：Art and visual ingenuity：http：//www.thisiscolossal.com/2012/01/yayoi-kusama-obiliteration-room/.

作者簡介：楊天天（1984—），女，博士，講師，主要研究方向：數字媒體技術及應用。endprint

從參觀者的行為、思想的角度進行考慮，人類對于思想的表達具有多樣性，有顯式的主動動作、行為、語言等等，也有隱式的如表情、眼動、甚至氣味及生化物質（如唾液、汗液、荷爾蒙等）的分泌。傳統的藝術作品（如圖2例）主要是從公眾顯式的主動作為中獲得表達形成交互，所受限制較大，參與門檻較高。將多傳感器融合系統應用于公共藝術，首先拓寬了公眾思想的行為來源，降低了公眾參與的門檻。目前，在國內外已出現了一些基于單傳感器的公共藝術作品，但單傳感器的單一數據來源、不可靠、易受干擾、不穩定等技術局限性使其發展受到限制。隨著先進傳感技術的飛躍，除了人類的主要信息來源聲音、光、力等自然信號之外，甚至在人傳感器力所不及的范疇如紅外、紫外等非可見光區域，次/超聲波區域，非揮發性痕量生化物質等，我們也能夠通過先進傳感技術獲得所需要的信息。通過多傳感器融合技術所帶來的巨大優勢，科技比人類更懂得人類已經不再是夢想。將多傳感器融合系統應用于公共藝術，降低了公眾參與公共藝術的閾值。多傳感器融合系統對于公眾行為的捕捉不是被動的，而是主動地感知公眾的行為，將公眾“拉”入參與公共藝術的行為中，為公共藝術的設計提供了一種嶄新的思路。

以城市中某廣場為例，在人們進入廣場時，形成參觀經歷。假設給每個人分發一張彩色波點紙，通過張貼彩色波點紙的顯示行為進行表達，即形成類似草間彌生潔凈之屋的效果。在沒有彩色波點紙的情況下，人們對其參觀經歷產生隱式的表達。例如，不同的面部表情、走路的步長、速度、方向等等。公眾的這些隱式表達可以使用多傳感器融合系統進行捕捉。使用彩色數字投影代替彩色波點紙，每一種顏色對應多傳感器融合系統所得到的一致性結論。例如，紅色對應熱情、綠色對應平靜、不同程度的黑色對應一些負面情緒如沮喪等，形成交互。此例的多傳感器融合系統中，使用攝像裝置及壓力感應裝置對人群進行檢測，即通過攝像裝置對公眾面部表情進行捕捉、壓力傳感器對公眾步態進行捕捉。二類傳感器所得數據需進行時間、空間二個層面的融合。時間融合主要是將單傳感器的數據進行融合，是指對不同時間點的檢測數據進行融合。空間融合適用于多傳感器所得信息的一次融合處理，是指對不同位置、類型傳感器在同一時刻的檢測數據進行融合。在融合過程中，需要結合圖像識別技術、步態分析對公眾的面部表情、步態行為進行特征數據提取、分析，從而得出對該參與個體的一致性結論，并根據設計需求予以分類。此處可分為熱情、平靜、沮喪等類別，每一個類別對應于一種顏色，由數字投影進行表達。該“波點”設計的簡單模型如圖3所示。

隨著多傳感器融合系統中傳感器數量、種類的不斷增加，可根據歸屬將公共藝術裝置中使用的傳感器分為兩類：第一類傳感器從屬于裝置藝術本身，由藝術家根據藝術表達的需求進行設計安裝。第二類傳感器從屬于公眾，來自公眾隨身攜帶的電子設備，藝術裝置提供數據接口，從中獲取數據。二類傳感器協同作業，通過融合中心進行數據融合，得到全方位多角度的“立體信息”。將多傳感器融合系統應用于公共藝術裝置，是實現公共藝術公共性的有力保障。

從設計目的的層面考慮，根據馬斯洛的理論，將人的需求由低級層次到高級層次依次分為5個層次：生理、安全、社會、尊重以及自我實現。公共藝術的實質就是滿足人的真正需求，而不是公共藝術裝置的物質形態本身。多傳感器融合系統對所得多元數據進行多種層次上的融合，實現對人腦綜合信息處理的高級模仿，深刻挖掘公眾表面行為背后的含義，幫助藝術家們分析、理解、滿足公眾的真正需求。隨著分布式計算、通訊、云計算、物聯網等技術與多傳感器數據融合技術的共進發展，多傳感器數據融合技術所能實現的功能也越來越強大?？梢灶A見，隨著數字化進程的進一步深入，多傳感器融合技術與公共藝術的結合必將帶給我們更多的驚喜。

參考文獻：

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[6] 王峰，過偉敏.數字化城市公共藝術交互性內涵研究[J].包裝工程，2010，31（24）：124-127.

[7] Jobson C.This is What Happens When You Give Thousands of Stickers to Thousands of Kids.2012：Retrieved June 6，2013 from Colossal：Art and visual ingenuity：http：//www.thisiscolossal.com/2012/01/yayoi-kusama-obiliteration-room/.

作者簡介：楊天天（1984—），女，博士，講師，主要研究方向：數字媒體技術及應用。endprint

從參觀者的行為、思想的角度進行考慮，人類對于思想的表達具有多樣性，有顯式的主動動作、行為、語言等等，也有隱式的如表情、眼動、甚至氣味及生化物質（如唾液、汗液、荷爾蒙等）的分泌。傳統的藝術作品（如圖2例）主要是從公眾顯式的主動作為中獲得表達形成交互，所受限制較大，參與門檻較高。將多傳感器融合系統應用于公共藝術，首先拓寬了公眾思想的行為來源，降低了公眾參與的門檻。目前，在國內外已出現了一些基于單傳感器的公共藝術作品，但單傳感器的單一數據來源、不可靠、易受干擾、不穩定等技術局限性使其發展受到限制。隨著先進傳感技術的飛躍，除了人類的主要信息來源聲音、光、力等自然信號之外，甚至在人傳感器力所不及的范疇如紅外、紫外等非可見光區域，次/超聲波區域，非揮發性痕量生化物質等，我們也能夠通過先進傳感技術獲得所需要的信息。通過多傳感器融合技術所帶來的巨大優勢，科技比人類更懂得人類已經不再是夢想。將多傳感器融合系統應用于公共藝術，降低了公眾參與公共藝術的閾值。多傳感器融合系統對于公眾行為的捕捉不是被動的，而是主動地感知公眾的行為，將公眾“拉”入參與公共藝術的行為中，為公共藝術的設計提供了一種嶄新的思路。

以城市中某廣場為例，在人們進入廣場時，形成參觀經歷。假設給每個人分發一張彩色波點紙，通過張貼彩色波點紙的顯示行為進行表達，即形成類似草間彌生潔凈之屋的效果。在沒有彩色波點紙的情況下，人們對其參觀經歷產生隱式的表達。例如，不同的面部表情、走路的步長、速度、方向等等。公眾的這些隱式表達可以使用多傳感器融合系統進行捕捉。使用彩色數字投影代替彩色波點紙，每一種顏色對應多傳感器融合系統所得到的一致性結論。例如，紅色對應熱情、綠色對應平靜、不同程度的黑色對應一些負面情緒如沮喪等，形成交互。此例的多傳感器融合系統中，使用攝像裝置及壓力感應裝置對人群進行檢測，即通過攝像裝置對公眾面部表情進行捕捉、壓力傳感器對公眾步態進行捕捉。二類傳感器所得數據需進行時間、空間二個層面的融合。時間融合主要是將單傳感器的數據進行融合，是指對不同時間點的檢測數據進行融合。空間融合適用于多傳感器所得信息的一次融合處理，是指對不同位置、類型傳感器在同一時刻的檢測數據進行融合。在融合過程中，需要結合圖像識別技術、步態分析對公眾的面部表情、步態行為進行特征數據提取、分析，從而得出對該參與個體的一致性結論，并根據設計需求予以分類。此處可分為熱情、平靜、沮喪等類別，每一個類別對應于一種顏色，由數字投影進行表達。該“波點”設計的簡單模型如圖3所示。

隨著多傳感器融合系統中傳感器數量、種類的不斷增加，可根據歸屬將公共藝術裝置中使用的傳感器分為兩類：第一類傳感器從屬于裝置藝術本身，由藝術家根據藝術表達的需求進行設計安裝。第二類傳感器從屬于公眾，來自公眾隨身攜帶的電子設備，藝術裝置提供數據接口，從中獲取數據。二類傳感器協同作業，通過融合中心進行數據融合，得到全方位多角度的“立體信息”。將多傳感器融合系統應用于公共藝術裝置，是實現公共藝術公共性的有力保障。

從設計目的的層面考慮，根據馬斯洛的理論，將人的需求由低級層次到高級層次依次分為5個層次：生理、安全、社會、尊重以及自我實現。公共藝術的實質就是滿足人的真正需求，而不是公共藝術裝置的物質形態本身。多傳感器融合系統對所得多元數據進行多種層次上的融合，實現對人腦綜合信息處理的高級模仿，深刻挖掘公眾表面行為背后的含義，幫助藝術家們分析、理解、滿足公眾的真正需求。隨著分布式計算、通訊、云計算、物聯網等技術與多傳感器數據融合技術的共進發展，多傳感器數據融合技術所能實現的功能也越來越強大?？梢灶A見，隨著數字化進程的進一步深入，多傳感器融合技術與公共藝術的結合必將帶給我們更多的驚喜。

參考文獻：

[1] 付志勇.設計的重構——論計算機對設計的變革[J].裝飾，1995（04）：46-47.

[2] 楊萬海.多傳感器數據融合及其應用[M].西安電子科技大學出版社，2004.

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[4] 劉同明，夏祖勛，解洪成.數據融合技術及其應用[M].國防工業出版社，2000.

[5] 王祁，聶偉.分布式多傳感器數據融合[J].傳感器技術，1997，16（5）：8-10.

[6] 王峰，過偉敏.數字化城市公共藝術交互性內涵研究[J].包裝工程，2010，31（24）：124-127.

[7] Jobson C.This is What Happens When You Give Thousands of Stickers to Thousands of Kids.2012：Retrieved June 6，2013 from Colossal：Art and visual ingenuity：http：//www.thisiscolossal.com/2012/01/yayoi-kusama-obiliteration-room/.

作者簡介：楊天天（1984—），女，博士，講師，主要研究方向：數字媒體技術及應用。endprint