雷達互動投影系統在科普場館的應用場景分析

摘要：本文概述了雷達互動投影系統的基本原理，通過對其在互動展覽、科普體驗站、科普講座和虛擬導覽的應用進行分析，探討雷達互動投影系統在科普場館應用方面的挑戰與前景。在此基礎上，從個人、企業和政府層面分別提出雷達互動投影系統在科普場館應用的發展建議。

關鍵詞：互動裝置；雷達互動投影；科普場館

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.058

中圖分類號：G 268；TN 95；TP 212 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）01-0-03

Radar Interactive Projection System in the Science Museum Applied Scene Analysis

REN Chao

（Jiangsu Science and Technology Museum， Nanjing 210013， China）

Abstract： This paper outlines the basic principle of the radar interactive projection system， and explores the challenges and prospects of radar interactive projection system in the application of popular science venues by analyzing its application in interactive exhibitions， popular science experience stations， popular science lectures and virtual tours. On this basis， the development suggestions for the application of radar interactive projection system in science popularization venues are put forward from the individual， enterprise and government levels respectively.

Keywords： interactive devices; radar interactive projection; science museums

雷達互動投影（Radar Interactive Projection，RIP）系統是一種將高精度雷達傳感器與高亮度投影技術結合的先進交互系統，能夠實現在多種物體的表面上進行高質量圖像的投影，結合硬件構成和軟件算法，實現捕捉人體動作或其他物體的移動、手勢、動作等，并將相應的內容投影到屏幕上與用戶進行交流的實時互動。目前，該類技術主要應用于教育、娛樂、廣告、展覽等多個領域，為用戶提供沉浸式的參與體驗。

1 雷達互動投影系統概述

1.1 雷達互動投影的硬件構成

雷達互動投影系統的硬件主要包括三個部分：雷達傳感器、投影儀以及計算單元。雷達傳感器是系統的核心，負責捕捉空間中的動作和物體移動。現代雷達傳感器采用微波雷達技術，能夠通過發射和接收微波信號來檢測物體的存在、速度、距離以及角度等信息，這種傳感器對光線條件幾乎不敏感，因此即便在光線較暗或者反光強烈的環境下也能穩定工作，適合在博物館類的科普場館中應用。在雷達互動投影系統中，投影儀將數字內容以光影形式展現在實體表面上，通常使用高亮度、高分辨率的投影儀來確保圖像清晰可見。計算單元是連接雷達傳感器和投影儀的橋梁，負責處理雷達傳感器收集到的數據，運行圖像處理和邏輯算法，指導投影儀輸出相應的圖像。

1.2 雷達互動投影采用的軟件算法

軟件算法是雷達互動投影系統的智能核心，包括數據處理算法、圖像處理算法和互動邏輯算法三個主要部分[1]，數據處理算法首先對雷達傳感器捕獲的原始數據進行預處理，包括信號去噪、濾波等，以提高數據質量，進而通過復雜的算法分析處理后的數據識別出用戶的具體動作和物體的位置信息；圖像處理算法負責將互動邏輯與投影內容相結合，這包括動態調整投影圖像的尺寸、位置和形態，以適應用戶的互動行為和場景變化，如當用戶手指移動到某個位置時，系統可能需要實時生成波紋效果或其他視覺反饋；互動邏輯算法用于定義用戶與投影內容互動方式的規則，根據數據處理算法識別出的用戶動作和物體位置，決定采用何種方式進行響應與互動，包括觸發動畫、聲音效果或是改變投影內容的行為。

2 雷達互動投影系統在科普場館的應

用場景

2.1 互動展覽

雷達互動投影系統通過集成應用高精度雷達感應、實時圖像投影和互動軟件開發等關鍵技術，具備實時捕捉并分析參觀者的位置和動作，并通過圖像投影技術將虛擬圖像投影到多種物體表面的能力，在創造沉浸式的虛擬互動環境方面具有顯著優勢。據已有文獻可知，羅立宏等[2]在互動投影系統中創作出寒梅傲雪、冬去春來、鳥語花香的交互動畫場景，實現了一個基于互動投影的國畫風格交互數字藝術作品。東京teamLab團隊[3]創作的《花與人的森林：迷失、沉浸與重生》互動展覽，在投影基礎上實現了成熟的高度沉浸式虛擬現實系統，該系統不僅增強了展覽的參與感和教育效果，還為參觀者提供了一種全新的參館體驗，促使參與者主動的學習和探索直觀的科學知識。

2.2 科普體驗站

雷達互動投影技術在科普體驗站中的應用如圖1所示，通過提供沉浸式的學習環境和高度互動的參站體驗，極大地激發了參與者的學習興趣和探索欲。

圖1（a）是Nobuyuki Umezu等[4]為了增強游客在科學博物館的體驗，提出了3個使用激光雷達傳感器的案例研究：交互式月相地面投影，具有非接觸式交互和游客跟蹤功能的信息亭和具有水平和垂直掃描功能的訪客跟蹤箱。在此案例中，雷達互動投影系統能夠將參與者帶入一個虛擬的星空之中，通過自己的動作與虛擬星空進行互動，如通過手勢選擇觀察不同的星座或通過移動來模擬天體的運行軌跡。圖1（b）是Gary Priestnall等[5]為吸引游客進行互動所建立英國湖區中心偏遠山谷鄉村景觀的投影浮雕模型。圖1（c）是Christina Volioti等[6]提出的一種交互式樂器學習體驗站，借助3D打印技術，根據傳統樂器復制出模擬樂器模型，并在其中安裝雷達攝像頭以捕捉用戶手勢，結合機器學習算法進行手勢分析和識別，融合觸覺和聽覺兩大感官系統探索樂器的功能和樂趣，參與者可以在系統引導下發出聲音并接收實時視覺和聽覺反饋。

2.3 科普講座

雷達互動投影系統具備獨特的動態可視化能力，通過將抽象的科學數據和概念向直觀、動態的視覺展示的轉化，使其在科普講座和演示中廣泛應用。如在地球科學數據展覽中，雷達互動投影技術可全方位、多角度地呈現全息環境，觀眾可以真切體驗氣候變化對地球的影響和自然現象，包括冰川融化、海平面上升的過程，以及不同地理區域的氣候變化情況等。

2.4 虛擬導覽

基于雷達互動投影在虛擬導覽中能夠根據參與者的行為和選擇提供定制化學習路徑，促使每一次虛擬導覽都成為一次獨特的探索旅程。如在海洋生態的虛擬導覽中，參與者可以通過雷達互動投影系統身臨其境地探索珊瑚礁的生物多樣性，觀察不同海洋生物的行為，甚至與它們進行“互動”。該類參館體驗不僅僅局限于視覺上的震撼，還通過觸覺反饋和三維回聲，讓參與者感受到仿佛身處海底的真實感；在介紹歷史文化遺產時，雷達互動投影系統能夠使歷史場景全息呈現，如古代文明的街道、建筑和日常生活，促使參觀者仿佛穿越時空，親身體驗歷史。

3 面臨的挑戰與發展趨勢

3.1 雷達互動投影系統在科普場館應用的挑戰

（1）技術限制：雷達互動投影系統的精度和靈敏度直接影響用戶體驗，若雷達傳感器和計算單元不能準確識別并響應用戶的手勢或動作，會降低用戶的參與度和滿意度，雷達投影技術在響應速度、交互方式和多用戶支持等互動性能方面存在的限制是其在科普場館應用的首要挑戰。

（2）成本問題：雷達互動投影系統的硬件設備和軟件開發成本較高，隨科技的發展，雷達互動投影系統需定期更新系統硬件架構和軟件算法以保持系統的性能和吸引力，除初次投資外，后續維護和更新系統所需的長期運營成本也是其在科普場館中普及的主要限制因素。

（3）用戶接受度：用戶體驗是評價雷達互動投影系統成功與否的重要指標之一，若系統的操作復雜、交互效果不佳或者容易出現故障，會使用戶接受度的降低。科普場館的創新型展示要求教育性和娛樂性兼備，以為不同觀眾群體提供定制化參館方案和展陳體驗，提高普適性、包容性和吸引力。

（4）環境適應性：雷達互動投影系統的性能受到環境光線、空間限制的影響，導致其投影效果缺乏穩定性，從而限制了雷達投影系統的普及，如光線過強或過暗都會影響投影效果，狹小的空間可能限制用戶的活動范圍和互動方式等。

（5）數據隱私和安全：雷達互動投影系統可能會收集海量展陳信息和用戶行為數據，隨互聯網的進一步發展，參與者對個人隱私的保護意識增強，為了防止重要展陳信息和隱私數據泄露，科普場館需在推進雷達互動投影系統與場館展陳結合的同時，對重要、隱私數據的保護給予高度關注度。

科普場館與雷達互動投影系統的創新性融合面臨著諸多挑戰，科普場館可以通過與技術供應商合作，定制適合自己需求的解決方案，優化用戶體驗，降低多維度成本，高度重視保護用戶數據隱私，以促進雷達互動投影系統在科普場館中的應用、普及，實用效果的提升。

3.2 雷達互動投影系統在科普場館應用的發

展趨勢

（1）增強現實（Augmented Reality，AR）和虛擬現實（Virtual Reality，VR）的有機結合：雷達互動投影系統可以與增強現實和虛擬現實技術有機整合，為觀眾提供數字化沉浸式體驗。通過結合AR技術、VR技術和計算機技術，參與者可在三維虛擬環境中與虛擬對象互動，進行科學實驗和探索，進一步增強科普場館中展示的趣味性和教育性。

（2）智能化和自適應性：應雷達互動投影系統具備更高程度的智能化和自適應性，可根據觀眾的特征和興趣調整展示內容和互動方式，結合機器學習和人工智能技術，雷達互動投影系統可以根據觀眾的反饋和行為數據進行實時優化，以提供個性化的參觀體驗。

（3）多感官互動：雷達互動投影系統存在進一步拓展互動方式的空間，不應局限于單一的視覺或手勢，還應與聲音、觸覺和嗅覺等多種感官相結合，營造出更為豐富、真實的體驗。

（4）云端服務和遠程互動：隨云端服務和遠程技術的進步，雷達互動投影系統可嘗試通過結合該新興技術實現系統與用戶、用戶與用戶之間的遠程互動和協作，用戶通過網絡與其他場館或者專家進行實時互動，共同探討科學問題并進行實驗，從而打破時間、空間限制，進一步提升展館的學術價值以及觀眾在展館活動中的參與度和互動性。

（5）可持續性和環保：雷達互動投影系統的使用多基于虛擬場景，展館在融合雷達互動投影系統的發展中需注重可持續性和環保要求，采用更加節能的技術和環保材料等措施將促進展館的可持續性發展。例如，系統可以采用低能耗的投影設備和可再生材料制作投影屏幕，以減少能源消耗和環境污染等。

3.3 雷達互動投影系統在科普場館應用的發

展建議

雷達互動投影系統與科普場館相融合對于提高展陳質量、提供獨特的參與體驗和科普展館的可持續發展具有意義重大，需要各方面努力協同推進。在個人層面，可通過積極鼓勵、參與雷達互動投影系統的展示，體驗主動吸收科學知識的樂趣，在社交媒體、平臺中分享在雷達互動投影系統中的獨特體驗以擴大科普場館的影響力和吸引力；在企業層面，設立專項資金投資于雷達互動投影技術的研發和創新，以提高系統的交互性、精準性和逼真度，為科普場館與雷達互動投影系統相融合提供技術支撐，并與科普場館建立緊密的合作伙伴關系，共同推動科學教育事業的發展；在政府層面，可根據已有科普場館展陳方式和雷達互動投影技術的發展現狀，適當提供資金和政策支持，以幫助科普場館引入先進的雷達互動投影系統，支持科普場館的推廣和宣傳活動，以增加公眾對科普場館和雷達互動投影系統的認知和興趣。

4 結束語

雷達互動投影系統在科普場館中的應用已經成為吸引觀眾、提升展示互動性和教育效果的重要手段。本文通過對其在互動展覽、科普體驗站、科普講座和虛擬導覽的應用進行分析，得出其面臨的技術限制、環境適應性、數據隱私與安全等挑戰，并分析了其在科普場館應用的發展趨勢，包括但不限于增強虛擬現實、多感官互動、云端服務與遠程互動以及可持續性等。在此基礎上，從個人、企業和政府三個層面提出雷達互動投影系統在科普場館應用的發展建議。隨著技術的不斷發展和創新，雷達互動投影系統未來將在科普展館中持續發揮重要作用，為科普場館的展陳方式和發展方向提供更多可能，推動科學普及事業的進一步發展。

參考文獻

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[5] Priestnall G， Cheverst K. Understanding visitor interaction with a projection augmented relief model display： insights from an in-the-wild study in the English Lake District[J]. Personal and Ubiquitous Computing， 2019， 26（3）： 593-607.

[6] Volioti C， Tsagaris A， Trigkas D， et al. HapticSOUND： An Interactive Learning Experience with a Digital Musical Instrument[J]. Applied Sciences， 2023， 13（12）： 7149-7163.

作者簡介：任 超（1974—），男，漢族，江蘇徐州人，高級工程師，本科，研究方向為科普場館建設及展品展項研發制作。