基于LED照明系統(tǒng)的互動媒體設(shè)計

高 自 強

( 大連工業(yè)大學 藝術(shù)設(shè)計學院, 遼寧 大連　116034 )

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基于LED照明系統(tǒng)的互動媒體設(shè)計

高 自 強

( 大連工業(yè)大學 藝術(shù)設(shè)計學院, 遼寧 大連116034 )

摘要:通過紅外感應(yīng)的互動手段來控制LED的燈光效果，設(shè)計了一種由紅外發(fā)射裝置與LED接收發(fā)光裝置組成的與環(huán)境互動、集媒體藝術(shù)與節(jié)能環(huán)保于一體的具有照明功能的互動媒體設(shè)施。電路設(shè)計在展示視覺效果的同時使用紅外感應(yīng)技術(shù)設(shè)計更加人性化，所使用的LED作為照明元件及其他電子元件都是低能耗元件，系統(tǒng)運行更加低碳環(huán)保。配合適當?shù)谋Ｗo裝置設(shè)計可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)室外環(huán)境，人流密集的地方更加適用。

關(guān)鍵詞:LED；電子藝術(shù)；紅外感應(yīng)；互動媒體

0引言

LED光源以其節(jié)能環(huán)保等特點一經(jīng)面世就吸引了各界的關(guān)注，使之成為近年國內(nèi)照明領(lǐng)域的最大熱點。LED光源具有功耗低、壽命長、無毒、堅固耐用、顏色豐富的特點，成為傳統(tǒng)照明、城市景觀照明領(lǐng)域的主導產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用于交通信號燈、應(yīng)急燈具、影視舞臺燈具、機場跑道燈具、戶外景觀燈具等[1]。同時LED為利用聲、光、電等現(xiàn)代科技實現(xiàn)互動媒體設(shè)計提供了廣闊的舞臺，在LED從設(shè)計到普及的過程中，LED技術(shù)不斷地與電子技術(shù)、計算機信息技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于人機交互領(lǐng)域，對媒體互動藝術(shù)的發(fā)展起到了很大推動作用[2]?；用襟w效果的實現(xiàn)始終是以視覺效果為中心的，LED技術(shù)的發(fā)展是這個技術(shù)的核心力量，將LED可見光作為互動媒體作品的技術(shù)手段同時也是一種照明工具[3]。紅外LED作為人機交互工具使這種互動媒體裝置的開關(guān)變得人性化，設(shè)計也著重考慮了低碳環(huán)保等問題，作為互動媒體作品也作為城市照明設(shè)施，藝術(shù)性與功能性的巧妙結(jié)合，使設(shè)計真正服務(wù)于大眾[4]。

置身于城市的夜景中，照明除了實現(xiàn)自身功能作用，及對城市環(huán)境的建筑、環(huán)境等綜合設(shè)施的描述以外，還應(yīng)該兼顧對另一個層面的信息加以表達，即創(chuàng)造與城市美學價值相一致并使其更完整的審美體驗，這也是一種功能的表達[5]。城市環(huán)境中，人是在不斷移動的，人的視覺也會隨著身體的移動而移動，并擴展了視覺范圍[6]。運動產(chǎn)生的視覺效果改變，同時影響環(huán)境的變化，作為城市環(huán)境因素之一，隨著時間和空間線索的變化，形成了具有一定邏輯關(guān)系的視覺敘事，就像電影一樣，呈獻給人的視覺信息在積累，人的情感和感知也在豐富，人與環(huán)境的互相影響進而美學傾向越明確，審美欣賞的價值就越大[7]。

楊東升[8]側(cè)重媒體發(fā)布裝置技術(shù)的研究,而缺乏互動娛樂性。權(quán)英卓等[9]所設(shè)計的互動屏長時間持續(xù)高能耗工作，卻沒有考慮綠色環(huán)保的問題。眾多藝術(shù)展會中的互動媒體設(shè)施，設(shè)計新穎奇特，但只是單純裝置藝術(shù)，缺乏實際功能公用性。

本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計中的LED媒體互動系統(tǒng)利用電子科技手段突出展現(xiàn)了LED技術(shù)所能展現(xiàn)的光影效果，使用紅外感應(yīng)等科技手段，實現(xiàn)了“以媒體概念主導創(chuàng)意概念”[10]。

1LED互動媒體系統(tǒng)組成

如圖1所示，互動媒體系統(tǒng)包括LED燈板(即接收發(fā)光裝置)和照明發(fā)射裝置2部分，LED燈板通常安裝在人行通道左側(cè)墻壁上，發(fā)射裝置安裝在人行通道右側(cè)墻壁上，外部用玻璃板隔離；LED燈板由多個發(fā)光及接收裝置組成，發(fā)光及接收裝置按矩陣排列安裝在同一張電路板上，外部用玻璃板隔離；發(fā)射裝置向發(fā)光及接收裝置發(fā)射信號[11]。

1—LED燈板1； 2—發(fā)射裝置； 3—墻壁； 4—墻壁

圖1系統(tǒng)組成示意圖

Fig.1Schematic diagram of system

2LED互動媒體系統(tǒng)設(shè)計

2.1LED燈板設(shè)計

LED發(fā)光及接收裝置如圖2所示,包括紅外線接收管HRM0038、單運放芯片LM741和發(fā)光二極管Piranha。

圖2　接收發(fā)光裝置圖

二極管D4 1N5819和電解電容C5這兩個元件的作用就是當發(fā)光二極管Piranha斷電后，電解電容C5可對發(fā)光二極管Piranha持續(xù)放電一段時間，使發(fā)光二極管Piranha出現(xiàn)一種延時熄滅的效果，在夜晚行人移動時可產(chǎn)生人流涌動的霓虹效果；這種效果是行人經(jīng)過時在“發(fā)光區(qū)域”的后面出現(xiàn)一個“殘影”就像彗星一樣的長長的“拖尾”效果，行人移動速度越快，這種“拖尾”就越長，這樣就更增加本發(fā)明的互動娛樂性，如圖3所示。

紅外線接收管IC3為一體化紅外線接收管，型號為HRM0038；發(fā)光二極管Piranha為高亮度的白偏藍色發(fā)光二極管，最好選用高亮度的鷹眼LED，體積小亮度高。

發(fā)光及接收裝置按矩陣排列安裝在同一張電路板上，分布的橫向間距和縱向間距都是5 cm。

2.2照明發(fā)射裝置

發(fā)射照明發(fā)射裝置如圖4所示。包括計時芯片IC1 NE555、紅外線發(fā)射管LED1。端子7為放電端口，經(jīng)過二極管D2 1N4148連接無極電容C2后接地，作為放電通路；電阻R2與二極管D1 1N4148串接，并聯(lián)于端子7和二極管D2 1N4148兩端，再與電阻R1串連接電源正極，改變電阻R2的大小，控制充放電時間，來調(diào)節(jié)占空比。

圖3　LED燈板的尺寸與光影效果

圖4　照明發(fā)射裝置電路圖

發(fā)光及接收裝置按矩陣排列安裝在同一張電路板上，分布的橫向間距和縱向間距都是5 cm。LED燈板由20 cm×40 cm的單元電路板拼裝而成，每個單元電路板上都有兩組電源的輸入輸出，單元電路板之間的電源供應(yīng)形成多通道網(wǎng)狀并聯(lián)電源供應(yīng)方式，這樣任意通道意外阻斷都不會影響整個LED燈板的正常工作。

計時芯片IC1 NE555的型號是通用555型號，包括NE555P或HA17555；無極電容C1和無極電容C2是高頻瓷介電容或CBB電容；紅外線發(fā)射管LED1選用Φ5 mm的大功率紅外線發(fā)射管，波長為850 nm，發(fā)射角度范圍90°～120°，角度范圍越大越好，對應(yīng)覆蓋的LED燈板1的面積也就越大；電阻R2選用0～50 kΩ高精密可調(diào)電阻，待阻值確定后再用相應(yīng)阻值的金屬膜電阻代替，調(diào)節(jié)過程中，確保紅外線發(fā)射管LED1兩端的電壓在1～1.4 V，紅外線發(fā)射管LED1可以正常工作。

2.3媒體互動的工作原理

發(fā)射裝置2包括計時芯片IC1 NE555與三極管Q1 8050等外圍元件構(gòu)成頻率為38 kHz、占空比約為30%的振蕩器，調(diào)節(jié)電阻R2到33 kΩ左右的時候，輸出頻率基本符合要求，也可以借助示波器來調(diào)試，觀察發(fā)射機發(fā)射頻率為38 kHz時，振蕩信號經(jīng)計時芯片IC1 NE555的端子3輸出加載至三極管Q1 8050的基極，由三極管Q1 8050的發(fā)射極驅(qū)動紅外線發(fā)射二極管LED1，發(fā)射出波長為850 nm的紅外光。

接收裝置主要由紅外線接收管HRM0038和一枚單運放芯片LM741和高亮發(fā)光二極管Piranha組成，行人通過時接收裝置會接收和阻斷來自發(fā)射裝置2的紅外信號，阻斷時也就是接收裝置無法收到紅外信號時，高亮發(fā)光二極管Piranha發(fā)光，接收到紅外信號時高亮發(fā)光二極管Piranha熄滅。

由于單運放芯片LM741結(jié)成比較器的形式，紅外線接收管HRM0038接收到紅外信號時，輸出端管腳1輸出為低電平，單運放芯片LM741正向輸入端端子3電位低于反向輸出端端子2，這樣比較器輸出端端子6就會輸出低電平，高亮發(fā)光二極管Piranha處于熄滅狀態(tài)。當有人經(jīng)過時阻斷了發(fā)射裝置2發(fā)出的紅外信號，則紅外線接收管HRM0038無紅外信號輸入，輸出端管腳1立即變?yōu)楦唠娖?，單運放芯片LM741正向輸入端端子3電位高于反向輸出端端子2，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出端端子6就會輸出高電平，使高亮二極管Piranha點亮。只要行人離開接收范圍，被阻斷了的發(fā)射裝置2發(fā)出的紅外信號再次持續(xù)被接收裝置接收，比較器再次輸出低電平，接收裝置的高亮LED1燈板就持續(xù)處于熄滅狀態(tài)。

3效果與實例分析

3.1媒體互動的效果

設(shè)計的基本功能是充當行人的照明光源，它摒棄了傳統(tǒng)方式上的定時開關(guān)，而是通過更加科學的感應(yīng)方式來控制光源的明滅。有人經(jīng)過的時候，它相當于實時捕捉人的影像，發(fā)光燈板的LED發(fā)光區(qū)域正是行人的外形輪廓的映射，就像是一個個發(fā)光的影子，跟隨人的動作而產(chǎn)生變化，當人離開這座光影墻，發(fā)光燈板同時自動關(guān)閉。發(fā)光二極管出現(xiàn)一種延時熄滅的效果，在夜晚行人移動時可產(chǎn)生人流涌動的霓虹，這種效果是行人經(jīng)過時在“發(fā)光區(qū)域”的后面出現(xiàn)一個“殘影”就像彗星一樣的長長的“拖尾”效果，行人移動速度越快，這種“拖尾”就越長，這樣就更增加本專利的互動娛樂性，如圖5所示。

圖5　單人演示光影效果

這種互動式設(shè)計方式，使得路過它的行人越多，行走速度越快，它的總體亮度就越高，從而使得它作為光源的效率會得到很大的提升，不僅節(jié)能環(huán)保，而且為公眾提供了一個互動娛樂設(shè)施?；庸庥皦榇竺娣e的LED矩陣，通過內(nèi)部傳感器來控制LED的明滅，電路調(diào)整好后，將發(fā)射裝置和LED燈板接收裝置分開安裝在通道兩側(cè)墻壁上，接通電源后，當行人通過時人為阻斷發(fā)射信號，LED便點亮，實現(xiàn)照明；當行人離開時，LED熄滅，照明結(jié)束。LED的照明范圍為行人的實時輪廓，離開延時熄滅，便產(chǎn)生了互動效果。

3.2實例分析

實施例1室內(nèi)空間的應(yīng)用

本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于地下通道、橋下通道、電影院通道等娛樂場所中，不方便提供大規(guī)模照明設(shè)施或者人流不集中的地方，將LED燈板1固定在墻面上,根據(jù)墻面的高度，確定LED燈板1的高度和位置，通常高度保持距地面20～30 cm，LED燈板1的長度根據(jù)通道的長度來確定，同時也要考慮人流的多少，還有安裝在通道的相對位置，可以是長距離連續(xù)10 m以上，也可以是3 m長度為一個單位，間隔一定距離放置一段LED燈板1，這樣的分布更加高效節(jié)能。發(fā)射裝置2可以固定在LED燈板1對面的墻體上，通常發(fā)射裝置2與LED燈板1的水平有效距離在15～20 m，這樣可以保證信號無損接收，完全可以滿足地下通道和橋下通道的寬度要求，通常一個發(fā)射裝置2的發(fā)射角范圍是120°，如圖6所示，如果發(fā)射裝置2距離LED燈板15 m，那么發(fā)射裝置2可控制的燈板長度范圍就是10 m，如果從空間上來講發(fā)射范圍為直徑10 m、高度5 m的一個圓錐體[12]。

圖6　發(fā)射端與LED燈板透視

實施例2室外景觀的應(yīng)用

本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于建筑物外墻和圍欄，將LED燈板1置于室外，相對于室內(nèi)可以大大提高利用率，能使照明輻射范圍更大，發(fā)射裝置2的放置更加靈活自由，在室內(nèi)安裝通常LED燈板1的安裝高度要考慮到頂棚高度的問題，而在室外安裝不需要考慮這個問題，還可以將LED燈板1安裝在滑道內(nèi)根據(jù)需要自由升降，這樣所有經(jīng)過的行人都可以加入體驗的行列，使LED燈板1真正成為互動娛樂設(shè)施，LED燈板1的相應(yīng)保護設(shè)施也很簡單，在LED燈板1的表面加裝玻璃板，在玻璃板的周邊安裝不銹鋼邊框，這樣就可以防止雨、雪、大風等惡劣天氣造成的影響。LED燈板1的LED發(fā)光區(qū)域正是行人的外形輪廓的映射，就像是一個個發(fā)光的影子，跟隨人的動作而產(chǎn)生變化，這種互動式的工作方式，使得路過它的行人越多，行走速度越快，它的總體亮度就越高，利用率也就越高，作為光源的效率也會得到很大的提升，不僅節(jié)能環(huán)保，同時為公眾提供了一個互動娛樂設(shè)施，將本發(fā)明放置在室外更能成為廣大市民休閑娛樂，放松心情的好地方，當人們在茶余飯后，三五成群游弋于這座互動光影墻周圍，更形成了一道城市亮麗的風景線[13]，如圖7所示。

實施例3交通設(shè)施的輔助應(yīng)用

本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于公交、出租車站點，只需要將設(shè)計做成小尺寸的如:寬1 m、高2 m的燈板即可。因為放于室外使用所以LED燈板1同樣需要加裝玻璃板和不銹鋼邊框，發(fā)射裝置2可以直接安裝在地面，類似于步行街常用的地面射燈，發(fā)射裝置2與燈板的水平距離控制在2 m以內(nèi)，保證發(fā)射角度對準LED燈板1即可。這樣做可以使LED燈板1在作為照明光源的同時還可以作為公交車和出租車的導向標，只要出租車司機或公交車司機看到LED燈板1發(fā)光便可知道有乘車需求，因為LED燈板1為高亮發(fā)光體，可識別度在100 m范圍內(nèi)，為公交和出租司機帶來了極大的方便，如圖8所示。

圖7　多人演示光影效果

圖8　交通設(shè)施的輔助應(yīng)用

4結(jié)論

(1)設(shè)計可以簡單地看成大面積LED燈板，發(fā)射裝置主要負責紅外線的發(fā)射，接收裝置主要負責紅外線的接收、判斷、觸發(fā)、開關(guān)高亮LED。在使用中，發(fā)射裝置和接收裝置拉開一定距離安裝，接收距離范圍可達到15～20 m。在工作中，發(fā)射裝置形成一束紅外線，當有行人經(jīng)過時，會瞬間阻斷紅外線，接收裝置觸發(fā)即點亮LED，人物輪廓就以像素點陣的方式出現(xiàn)在LED燈板上，帶來互動娛樂性，所以設(shè)計產(chǎn)生的互動效果并不需要大規(guī)模投影設(shè)備和視頻捕捉設(shè)備。

(2)LED燈板安裝在墻面上，外面安裝玻璃板起保護作用，發(fā)射裝置安裝于墻面上，外面也同樣有玻璃板保護，所以設(shè)計安裝于室內(nèi)、室外都可以正常工作。LED單元電路板都有兩組電源的輸入輸出，這樣單元電路板之間的電源供應(yīng)方式就形成了多通道網(wǎng)狀并聯(lián)電源供應(yīng)方式，如有局部單元電路板損壞并不影響其他單元電路板正常工作，及時更換相應(yīng)單元電路板即可。

(3)根據(jù)實際測試，單元電路板(20 cm×40 cm) 的電流為0.06 A,小能耗工作，LED燈板耗電約4 W/m2，高效節(jié)能,不存在高發(fā)熱量和處理大量粉塵問題。

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Interactive media design based on LED lighting system

GAOZiqiang

( School of Art and Design, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:An interactive media with lighting function was designed, which has an capability of the infrared-emitting and LED receiving, interacting with the environment, media artistic and energy saving. The circuit design showed the visual and humane effect using infrared sensor technology. LED was used as a lighting element and all other electronic components were low-powered, thus the system could run in a lowed-carbon manner. The media could be widely used in indoor and outdoor with appropriate protective devices, especially in crowded place.

Key words:LED; electronic arts; infrared sensors; interactive media

作者簡介:高自強(1979-)，男，講師，E-mail:gzq0421@aliyun.com.

收稿日期:2015-10-26.

中圖分類號:TM923.34；O439

文獻標志碼:A

文章編號:1674-1404(2016)01-0062-05