光動律影
——基于人機交互技術的燈光照明智能裝置設計

文／王詩瑤 大連理工大學建筑與藝術學院

丁雨恬 大連理工大學建筑與藝術學院

劉安雋 大連理工大學建筑與藝術學院

初欣芮 大連理工大學建筑與藝術學院

楊玉婷 大連理工大學建筑與藝術學院

李慧莉 大連理工大學建筑與藝術學院 講 師（通訊作者）

引言

隨著時代的發展，人們的生活愈加豐富多彩，愈加追求生活用品智能化。其中，體感互動技術成為日益被關注的新興研究領域。人機體感交互技術是未來計算機用戶界面設計中的重要內容之一[1]。人們可以直接使用肢體動作與周邊的裝置或環境互動，而無須使用任何復雜的控制設備[2]。當其應用于照明系統中時，其時效性與方便性可大大提高人們的融入式體驗感和生活質量。

當今照明系統智能化主要聚焦于電壓電流平衡以及開關控制，照明方式一般為大面積照亮整個室內，其中體感交互技術主要應用方向為VR交互融合、燈光智能控制、可攜帶設備等，導致空間單體變化與光影變化形式單一，人與環境的融合度不高，人們難以感受光影的律動之美。光與影的變幻在黑暗的環境內更能體現交互的韻律之美，本項目基于光與影的藝術效果，以智能硬件為技術支持，將機械結構和智能硬件結合，致力于帶給觀賞者更好的視覺體驗和設計出更新穎、巧妙的交互裝置。通過對本項目研究的簡單變換和推廣，能夠設計出更多變幻的場景交互裝置，應用于不同主題的博物館中，帶給游客豐富的觀賞體驗。

1 國內外研究概況及發展趨勢調研

國外燈光交互源于20 世紀60 年代的燈光藝術與裝置藝術，以光為材料，以實物為載體，通過空間形式來展現。隨著計算機技術的發展，交互開始與燈光裝置結合。20世紀70年代中期，“多媒體”概念出現，燈光開始作為一種媒介被綜合運用于互動裝置藝術作品中[3]。之后隨著技術的不斷發展，燈光交互逐漸發展起來，在許多國家的燈光節中，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用到交互裝置中。21 世紀至今，燈光交互裝置才在國內逐漸發展起來。在政府的支持下，相關研究迅速發展，部分高校也設立相應專業與課程，培養相關專業人才。

為了營造更好的交互體驗，目前的燈光交互設計逐漸致力于為用戶創造沉浸式體驗。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，界面式人機交互和沉浸式人機交互。近幾年來，隨著科學技術的發展，體感技術不斷完善，燈光交互更多地與體感技術結合，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。

2 相關案例

《呼應燈森林Forest of Resonating Lamps》是日本TeamLab 藝術團隊設計的一款燈光交互裝置，其最大特點即將偏向個人活動的創造性行為轉換為偏向群體活動的共同性行為[4]。當觀眾靜止地站在燈附近時，最近的燈會發出強烈的光和聲音，之后光將傳播到最近的兩個燈，讓其閃爍相同的光并發出相同的聲音，然后再次傳播到最近的燈，并繼續延伸。最初的光芒將使所有的燈發出一次最強光，并最終返回到原始燈[5]。

3 靈感來源——教學樓室內照明空間單體變化與光影變化形式單一問題

教學樓室內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。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：大連理工大學第一教學館、大連理工大學建筑與藝術館）

4 項目研究對象與方法

4.1 研究對象

本項目采用整體取樣的方法，選取教學樓室內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

準備階段，主要采用場地觀察、實地調研、問卷調查、查閱文獻等研究方法，進一步確定研究對象及研究內容，為項目研究提供事實依據及理論基礎。

實施階段，主要采用行動研究的方法，根據實際檢測各種照明方式的亮度與耗電量關系等數據以及對用戶感受的調查分析，摸索燈光交互方式經驗，推新設計方案，同時收集各階段個案數據，按照不同的標準將差異情況及解決方法進行分類、比較，形成檔案式資料，通過組內探討總結多個代表性個案并形成一定的理論雛形。

總結階段，主要采用數據分析總結法，對文獻資料和調研結果進行數據分析和總結，確定設計方案[6]。

5 燈光交互裝置設計

從人機智能交互與空間中單體互動角度，通過與控制系統和機械設計相關學科進行學科交叉，實現人體、激光與空間視覺效果變換的互動效果，同時結合視覺傳達、立體構成、機械結構、程序控制等多個領域學科，通過多學科交叉的研究，從設計方案到后期實際模型制作，整體了解應用人機交互裝置設計的特點，使其具有推廣價值和藝術鑒賞價值。

5.1 程序設計分析

交互方式設計主要分為四大模塊進行：數據采集、數據處理、人機交互以及控制運動。通過VL53LOX 激光測距模塊精確測量人體移動距離，產生精度±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，使其產生舵機與燈帶的控制信號并分別傳輸至舵機驅動板、大功率MOS 管，通過PWM 同步驅動舵機轉動以控制窗戶單體開合、控制燈帶產生明暗變化，最終達到人機交互控制及智能感知控制。調光應根據具體的應用場合、所處環境、作業要求和不同的人進行等級設計；調色必須與應用場合及其照明水平相適應；調頻則應根據調制頻率限定其波動深度[7]。

5.2 機械結構設計

針對照明空間單體變化與光影變化形式單一問題，設計基于光影律動和六邊形中三角形旋轉律動的大型人體感應智能交互裝置，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。正六邊形中央設有人體測距紅外感應裝置，六邊形邊框設有亮度可變化的燈帶，人靠近時板均勻翻轉緩緩打開，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 機械結構設計圖1（圖片來源：作者自繪）

圖2 機械結構設計圖2（圖片來源：作者自繪）

圖3 機械結構設計圖3（圖片來源：作者自繪）

5.3 材料選擇

機械材料包含亞克力、銅柱、螺絲、自攻螺絲、不銹鋼絲桿螺桿牙條、復合軸套等，電子材料包含PWM 調節電子開關控制板、12v2835/60型LED 燈帶、LM2596S 直流可調降壓模塊、電源適配器、MG90s 舵機、Arduino micro 控制器、GY-530VL53L0X 激光測距傳感器、16 路PWM舵機驅動板等（圖4）。

圖4 單體實物圖（圖片來源：作者自攝）

5.4 進階設計——博物館等黑暗環境照明系統中的人機交互問題

博物館等黑暗環境一般采用局部照明的方式，光影為靜止狀態，交互方式一般采用VR 游戲互動，然而當人們不玩游戲時體驗感便大大降低。針對提高人們于建筑內的融入式體驗感，通過人體感應硬件和編程完成人體交互設計。

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動速度，光敏感應代替紅外感應，追蹤光影實現律動，同時每個單體后方的光源強度隨著板子的開合均勻地變化，達到“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）

結語

研究階段，受實際購買渠道及成本限制，相關材料的選擇范圍會有所縮減，相關性能會有所削弱；此外受實驗環境條件影響，加工方式及場地會有所限制。在推廣應用時期，可根據具體工程的成本預算，再設計相適應的材料搭配和組合方案，靈活調整加工措施，使其加工成本降低并能夠進行大批量的工業化生產。