基于互動(dòng)投影技術(shù)兒童科普裝置設(shè)計(jì)實(shí)踐

何蔭婕

引言

互動(dòng)投影是一種投影畫(huà)面顯示技術(shù)，應(yīng)用現(xiàn)代遙感科學(xué)和多媒體處理應(yīng)用技術(shù)?；?dòng)投影的目的是通過(guò)觸摸互動(dòng)墻的不同位置，投影儀在互動(dòng)墻上顯示不同的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，是一種新的體驗(yàn)，也是人機(jī)交互的一種線下娛樂(lè)形式，在科普裝置中互動(dòng)投影技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合，能夠提高科學(xué)內(nèi)容的趣味性，增強(qiáng)視覺(jué)效果，吸引兒童的注意力、增強(qiáng)兒童的學(xué)習(xí)興趣。徐戈提到藝術(shù)發(fā)展是與科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新共同前進(jìn)的，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，藝術(shù)創(chuàng)作能夠借助高科技產(chǎn)物獲得多種表現(xiàn)形式。在過(guò)去的幾十年中，互動(dòng)裝置受到了各界廣泛的關(guān)注和重視。互動(dòng)藝術(shù)特點(diǎn)較為鮮明，在不斷發(fā)展中逐漸將前沿科學(xué)技術(shù)應(yīng)用其中，為裝置藝術(shù)設(shè)計(jì)注入新的生命力。羅立宏Flash設(shè)計(jì)的蘭花搖曳，鳥(niǎo)語(yǔ)花香，蝴蝶飛舞交互動(dòng)畫(huà)運(yùn)用到互動(dòng)投影中，設(shè)計(jì)出基于互動(dòng)投影中國(guó)風(fēng)的交互效果，為傳統(tǒng)文化國(guó)畫(huà)藝術(shù)帶來(lái)新的參考。周天旭將中國(guó)歷史教育圖冊(cè)結(jié)合互動(dòng)投影形式，解決歷史百科書(shū)籍存在內(nèi)容形式單一、難以激發(fā)兒童學(xué)習(xí)興趣等局限性?；?dòng)投影技術(shù)推動(dòng)著藝術(shù)與教育領(lǐng)域的發(fā)展?；谀壳笆袌?chǎng)上互動(dòng)投影技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，文中對(duì)互動(dòng)投影技術(shù)原理和應(yīng)用進(jìn)行梳理，并利用Cinema 4D與Adobe After Effects軟件梱結(jié)合，設(shè)計(jì)出新能源社區(qū)互動(dòng)墻兒童科普藝術(shù)裝置。

一、互動(dòng)投影技術(shù)原理及應(yīng)用

在制作科普裝置之前，首先要了解互動(dòng)投影系統(tǒng)的原理，為互動(dòng)墻科普裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供制作思路。

（一）互動(dòng)投影系統(tǒng)

1.信號(hào)采集部分，根據(jù)交互要求進(jìn)行捕獲和拍攝，捕捉設(shè)備有紅外感應(yīng)器、觸控雷達(dá)等。

2.信號(hào)處理部分，把實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)對(duì)接。

3.成像部分，使用投影儀或其他顯影裝置將圖像呈現(xiàn)在特定位置，并且顯影裝置不僅是投影儀，液晶顯示器、LED屏幕等都可以作為互動(dòng)影像的載體。

4.輔助設(shè)備，如傳輸線路，安裝構(gòu)件，音響裝置等。

（二）互動(dòng)投影技術(shù)的應(yīng)用形式

1.AR體感大屏：AR體感大屏一般設(shè)有紅外感應(yīng)攝像頭或kinect，在2米左右的有效感應(yīng)區(qū)內(nèi)，可對(duì)體驗(yàn)者進(jìn)行識(shí)別。用戶以簡(jiǎn)單的手勢(shì)和肢體動(dòng)作進(jìn)行交互，此應(yīng)用最大的亮點(diǎn)是結(jié)合體感與AR識(shí)別技術(shù)，讓用戶有沉浸式體驗(yàn)。“cosplay人物”游戲，“體感換衣”在廣告和游戲領(lǐng)域里較為常見(jiàn)。

2.沉浸式互動(dòng)投影空間：互動(dòng)投影空間是在投影基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一種成熟的高度沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，一般采用四個(gè)投影面構(gòu)成空間環(huán)境，墻面采用背投方式，地面采用前投式，結(jié)合高分辨率立體投影技術(shù)，三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和聲音技術(shù)。將體驗(yàn)者置于完全沉浸式的虛擬環(huán)境中。東京teamLab團(tuán)隊(duì)可謂是行業(yè)領(lǐng)軍者，《花與人的森林：迷失、沉浸與重生》曾風(fēng)靡全國(guó)，在各大社交平臺(tái)被刷屏。

3.墻面投影：墻面互動(dòng)投影有多種方式進(jìn)行，一般可采用石墨導(dǎo)電墻.通過(guò)石墨導(dǎo)電形成視覺(jué)效果。但是需要用電量較大.采用更加穩(wěn)定，操控性強(qiáng)的雷達(dá)觸控技術(shù)，并結(jié)合影像分析系統(tǒng)，雷達(dá)技術(shù)下的交互內(nèi)容可以更加豐富，該技術(shù)在參與者和屏幕之間創(chuàng)建了緊密集成的交互，廣泛用于游戲和科學(xué)領(lǐng)域。

4.互動(dòng)桌面：桌面交互式投影用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)取代了傳統(tǒng)的文本和圖像顯示方法。人們不僅可以看到高質(zhì)量的投影圖像，而且還可以用手指觸摸他們感興趣的內(nèi)容或相關(guān)信息。采用精確的觸控識(shí)別技術(shù)，具有流暢的觸控手感，輕松實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)操作，使人機(jī)交互更自然的表達(dá)。最早是在Youtube《Le Petit Chef》秀.3D版迷你廚師在盤子上制作美食。

文章中的藝術(shù)裝置采用雷達(dá)感應(yīng)式的墻面互動(dòng)投影的形式?；?dòng)投影墻是互動(dòng)多媒體中頗具代表性的實(shí)例，趣味性高，展示性強(qiáng)、敘事性好等特點(diǎn)頗受好評(píng)。雷達(dá)感應(yīng)操控性更強(qiáng)，交互的內(nèi)容也更加豐富，通過(guò)提前編譯好完整的程序存入存儲(chǔ)器中，雷達(dá)對(duì)人與墻面的觸碰點(diǎn)進(jìn)行捕捉，投影出不同的動(dòng)畫(huà)效果。目前市場(chǎng)上感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，最缺的就是3D視覺(jué)效果的應(yīng)用，此裝置采用Cinema 4D與Adobe After Effects軟件相結(jié)合的互動(dòng)墻科普裝置設(shè)計(jì)實(shí)踐。

二、互動(dòng)投影兒童科普裝置制作

互動(dòng)投影技術(shù)將多種能源應(yīng)用在交互場(chǎng)景中顯示出來(lái)，為兒童創(chuàng)造理解和認(rèn)識(shí)的空間，使兒童對(duì)新能源知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)，擁有一種新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。制作一個(gè)三維立體藝術(shù)風(fēng)格與動(dòng)畫(huà)相結(jié)合的科普裝置，Clnema 4D創(chuàng)建的三維社區(qū)樓房建筑模型，具有較強(qiáng)渲染效果和視覺(jué)體驗(yàn)。Adobe After Effects設(shè)計(jì)的卡通扁平化人物動(dòng)畫(huà)，更好地對(duì)科普內(nèi)容進(jìn)行介紹，選定太陽(yáng)能、地?zé)崮茏鳛榭破諏?duì)象。通過(guò)構(gòu)思一個(gè)新能源社區(qū)，新能源轉(zhuǎn)化為電能供整個(gè)社區(qū)人們生活。

（一）方案策劃

在制作之前提出詳細(xì)方案，選擇互動(dòng)墻展示制作新能源社區(qū)科普裝置，裝置的內(nèi)容部分選擇夏季和冬季兩個(gè)季節(jié)，在夏季的時(shí)候，點(diǎn)擊墻面上太陽(yáng)形狀圖像，社區(qū)的人們會(huì)產(chǎn)生一系列生活活動(dòng)，（如圖1）是設(shè)計(jì)思路及動(dòng)畫(huà)流程。點(diǎn)擊“小太陽(yáng)”后，會(huì)看到一個(gè)人從超市里買完?yáng)|西去電影院，再通過(guò)樓間花園，最后回臥室睡覺(jué)整個(gè)動(dòng)畫(huà)過(guò)程。這種設(shè)計(jì)方式，讓孩子通過(guò)動(dòng)畫(huà)的形式了解太陽(yáng)能作為能源為社區(qū)供電的方式，也可以觸摸房屋其他的位置，產(chǎn)生不同的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景。

在冬季的時(shí)候，觸摸社區(qū)下方地?zé)崮軋D像位置，可以看到臥室中的人因房間供暖從瑟瑟發(fā)抖變得大汗淋漓的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景。觸摸“社區(qū)招牌”可看見(jiàn)社區(qū)的廣告牌燈光閃動(dòng)（如圖2），通過(guò)冬季和夏季的視覺(jué)的動(dòng)畫(huà)對(duì)比，讓孩子們體會(huì)到地?zé)崮堋⑻?yáng)能在不同季節(jié)轉(zhuǎn)化電能供社區(qū)人們生活。同時(shí)，體驗(yàn)者也可觸控其他位置圖像，產(chǎn)生不同的動(dòng)畫(huà)效果。

（二）Cinema 4D構(gòu)建三維社區(qū)

Cinema 4D由德國(guó)Maxon Computer開(kāi)發(fā)，以高計(jì)算速度和強(qiáng)大的渲染插件而聞名。Cinema 4D并不算得上是藝術(shù)家創(chuàng)作的主流工具，但是在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)建立復(fù)雜模型、有趣形狀具有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)新能源社區(qū)樓房的設(shè)計(jì)提供了軟件支持。

社區(qū)外部框架采用Clnema 4D軟件進(jìn)行制作，3D視覺(jué)逐漸成為藝術(shù)領(lǐng)域的主流形式，市面上的互動(dòng)投影大多運(yùn)用扁平藝術(shù)效果，或者手繪風(fēng)的平面視覺(jué)效果，社區(qū)樓房建筑采用Clnema 4D設(shè)計(jì)方式可以增強(qiáng)立體的藝術(shù)表現(xiàn)形式，具有一定的趣味性、奇異性。鮮明的色彩更容易激發(fā)兒童的興趣，尤其是純度較高、明度較亮的色彩。同時(shí)，結(jié)合飽滿的畫(huà)面和立體元素的運(yùn)用，如果仔細(xì)觀看還能發(fā)現(xiàn)整個(gè)樓房建筑沒(méi)有太多的棱角，效果更加柔和，（如圖3）是社區(qū)樓房渲染圖。

社區(qū)樓房Clnema 4D制作主要分為卡通模型+材質(zhì)渲染+燈光參數(shù)調(diào)節(jié)三部分。建模中采用“立方體”模型為主體部分，用“樣條線”、“擠壓”出來(lái)的物體結(jié)合“倒角”最后進(jìn)行“圓角封頂”制作出卡通模型。同時(shí)，材質(zhì)渲染是三維建模中重要部分，不同材質(zhì)會(huì)體現(xiàn)不同的視覺(jué)風(fēng)格?；?dòng)墻采用Octane Render渲染器中多種材質(zhì)混合，大量運(yùn)用“漫反射材質(zhì)”，使畫(huà)面感更加柔和。燈光部分運(yùn)用“區(qū)域光”、“聚光燈”相結(jié)合，將“區(qū)域光”放置主體部分，“聚光燈”放置建筑頂部，多次調(diào)試顏色、強(qiáng)度、類型、投影、衰減等參數(shù)，最后將攝像機(jī)調(diào)節(jié)到合適的角度渲染出卡通的視覺(jué)效果圖像。（如圖4）是部分渲染效果圖。

（三）Adobe After Effects動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

近幾年扁平化設(shè)計(jì)作品頗受大家喜愛(ài)，扁平化設(shè)計(jì)與擬物化設(shè)計(jì)形成了鮮明對(duì)比，扁平化設(shè)計(jì)摒棄高光、陰影等能造成透視感的效果，通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化、符號(hào)化的設(shè)計(jì)元素表達(dá)。Adobe After Effect制作軟件對(duì)于動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)師而言是首選。

制作動(dòng)畫(huà)之前會(huì)在lllustrator軟件中對(duì)人物、場(chǎng)景素材進(jìn)行設(shè)計(jì)將繪制好的AI文件導(dǎo)入到AE中，制作各部分的動(dòng)效，人物動(dòng)作是動(dòng)畫(huà)中的關(guān)鍵幀，每個(gè)動(dòng)畫(huà)在時(shí)間軸中長(zhǎng)度控制在10s，1s內(nèi)有25幀。不斷調(diào)節(jié)“錨點(diǎn)”杠桿制作不同動(dòng)作。短的視頻動(dòng)畫(huà)在較短時(shí)間內(nèi)通過(guò)觸摸自動(dòng)切換，體驗(yàn)效果更好。做好全部動(dòng)畫(huà)，導(dǎo)出帶有“透明通道”的MOV格式動(dòng)畫(huà)放置在存儲(chǔ)器中，（如圖5）是視頻動(dòng)畫(huà)截圖。

最后對(duì)科普裝置進(jìn)行測(cè)試，提前將尺寸為5500x3093px社區(qū)樓房渲染圖貼到墻面上，雷達(dá)安裝至渲染圖的上方，實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)雷達(dá)感應(yīng)測(cè)試者坐標(biāo)，之后對(duì)投影儀對(duì)位調(diào)節(jié)動(dòng)畫(huà)位置和大小。用觸控雷達(dá)數(shù)據(jù)調(diào)取動(dòng)畫(huà)視頻投影在社區(qū)建筑的房屋內(nèi)，就可看到新能源社區(qū)中不同人物動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景。（如圖6）是測(cè)試的效果圖。

結(jié)論

互動(dòng)投影是一種新穎的多媒體技術(shù)，通過(guò)互動(dòng)投影技術(shù)，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)源和聲音的優(yōu)化組合，將一面平平無(wú)奇的科普墻板變得更有趣味陸，發(fā)揮兒童的主觀能動(dòng)性，積極參與其中，切身感受作品中的勃勃生機(jī)和活力“互動(dòng)投影技術(shù)快速發(fā)展的今天”，未來(lái)在游戲娛樂(lè)、展覽等方面將發(fā)揮重要的作用，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將有更多的互動(dòng)投影技術(shù)與VR/AR和其他他科普設(shè)備相結(jié)合，增強(qiáng)人們的互動(dòng)體驗(yàn)。