光动律影——基于人机交互技术的灯光照明智能装置设计

文／王诗瑶 大连理工大学建筑与艺术学院

丁雨恬 大连理工大学建筑与艺术学院

刘安隽 大连理工大学建筑与艺术学院

初欣芮 大连理工大学建筑与艺术学院

杨玉婷 大连理工大学建筑与艺术学院

李慧莉 大连理工大学建筑与艺术学院 讲 师（通讯作者）

引言

随着时代的发展，人们的生活愈加丰富多彩，愈加追求生活用品智能化。其中，体感互动技术成为日益被关注的新兴研究领域。人机体感交互技术是未来计算机用户界面设计中的重要内容之一[1]。人们可以直接使用肢体动作与周边的装置或环境互动，而无须使用任何复杂的控制设备[2]。当其应用于照明系统中时，其时效性与方便性可大大提高人们的融入式体验感和生活质量。

当今照明系统智能化主要聚焦于电压电流平衡以及开关控制，照明方式一般为大面积照亮整个室内，其中体感交互技术主要应用方向为VR交互融合、灯光智能控制、可携带设备等，导致空间单体变化与光影变化形式单一，人与环境的融合度不高，人们难以感受光影的律动之美。光与影的变幻在黑暗的环境内更能体现交互的韵律之美，本项目基于光与影的艺术效果，以智能硬件为技术支持，将机械结构和智能硬件结合，致力于带给观赏者更好的视觉体验和设计出更新颖、巧妙的交互装置。通过对本项目研究的简单变换和推广，能够设计出更多变幻的场景交互装置，应用于不同主题的博物馆中，带给游客丰富的观赏体验。

1 国内外研究概况及发展趋势调研

国外灯光交互源于20 世纪60 年代的灯光艺术与装置艺术，以光为材料，以实物为载体，通过空间形式来展现。随着计算机技术的发展，交互开始与灯光装置结合。20世纪70年代中期，“多媒体”概念出现，灯光开始作为一种媒介被综合运用于互动装置艺术作品中[3]。之后随着技术的不断发展，灯光交互逐渐发展起来，在许多国家的灯光节中，灯光互动装置往往成为最吸引游客的部分。

相较于国外来说，国内的灯光交互装置起步较晚，90 年代中后期，影像、声音及灯光等才开始被简单地运用到交互装置中。21 世纪至今，灯光交互装置才在国内逐渐发展起来。在政府的支持下，相关研究迅速发展，部分高校也设立相应专业与课程，培养相关专业人才。

为了营造更好的交互体验，目前的灯光交互设计逐渐致力于为用户创造沉浸式体验。沉浸式灯光互动载体通常分为四类，分别为地面互动载体、立面互动载体、装置类互动载体及天空无人机类互动载体。交互方式主要分为两大方面，分别是，界面式人机交互和沉浸式人机交互。近几年来，随着科学技术的发展，体感技术不断完善，灯光交互更多地与体感技术结合，灯光交互的形式也越来越丰富，给用户营造了良好的沉浸式体验。

2 相关案例

《呼应灯森林Forest of Resonating Lamps》是日本TeamLab 艺术团队设计的一款灯光交互装置，其最大特点即将偏向个人活动的创造性行为转换为偏向群体活动的共同性行为[4]。当观众静止地站在灯附近时，最近的灯会发出强烈的光和声音，之后光将传播到最近的两个灯，让其闪烁相同的光并发出相同的声音，然后再次传播到最近的灯，并继续延伸。最初的光芒将使所有的灯发出一次最强光，并最终返回到原始灯[5]。

3 灵感来源——教学楼室内照明空间单体变化与光影变化形式单一问题

教学楼室内照明方式均为一般照明，即将若干照明灯具对称排列在顶棚上，不考虑局部的特殊需要而照亮整个室内。该照明方式光源功率及耗电量较大，布灯形式呆板、空间单体变化与光影变化形式单一、人与环境的融合度不高，人们难以感受光影的律动之美，亟须改造。（场地选址：大连理工大学第一教学馆、大连理工大学建筑与艺术馆）

4 项目研究对象与方法

4.1 研究对象

本项目采用整体取样的方法，选取教学楼室内照明空间为研究对象，同类型其他建筑作为对照组。

4.2 研究方法

准备阶段，主要采用场地观察、实地调研、问卷调查、查阅文献等研究方法，进一步确定研究对象及研究内容，为项目研究提供事实依据及理论基础。

实施阶段，主要采用行动研究的方法，根据实际检测各种照明方式的亮度与耗电量关系等数据以及对用户感受的调查分析，摸索灯光交互方式经验，推新设计方案，同时收集各阶段个案数据，按照不同的标准将差异情况及解决方法进行分类、比较，形成档案式资料，通过组内探讨总结多个代表性个案并形成一定的理论雏形。

总结阶段，主要采用数据分析总结法，对文献资料和调研结果进行数据分析和总结，确定设计方案[6]。

5 灯光交互装置设计

从人机智能交互与空间中单体互动角度，通过与控制系统和机械设计相关学科进行学科交叉，实现人体、激光与空间视觉效果变换的互动效果，同时结合视觉传达、立体构成、机械结构、程序控制等多个领域学科，通过多学科交叉的研究，从设计方案到后期实际模型制作，整体了解应用人机交互装置设计的特点，使其具有推广价值和艺术鉴赏价值。

5.1 程序设计分析

交互方式设计主要分为四大模块进行：数据采集、数据处理、人机交互以及控制运动。通过VL53LOX 激光测距模块精确测量人体移动距离，产生精度±3%的距离信号，并通过IIC 通信将传感器信号传递至Arduino Micro 控制器，使其产生舵机与灯带的控制信号并分别传输至舵机驱动板、大功率MOS 管，通过PWM 同步驱动舵机转动以控制窗户单体开合、控制灯带产生明暗变化，最终达到人机交互控制及智能感知控制。调光应根据具体的应用场合、所处环境、作业要求和不同的人进行等级设计；调色必须与应用场合及其照明水平相适应；调频则应根据调制频率限定其波动深度[7]。

5.2 机械结构设计

针对照明空间单体变化与光影变化形式单一问题，设计基于光影律动和六边形中三角形旋转律动的大型人体感应智能交互装置，每个单体由一个正六边形组成，每个正六边形被分割成6 个正三角形，每个正三角形又被分割成3 个相同的等腰钝角三角形。正六边形中央设有人体测距红外感应装置，六边形边框设有亮度可变化的灯带，人靠近时板均匀翻转缓缓打开，灯缓缓变亮；人离开时板缓缓闭合，灯缓缓变暗。通过人走过的路径交互使板子律动变幻、光影明暗交织，以空间中单体变化和光影律动打造震撼的视觉效果（图1—图3）。

图1 机械结构设计图1（图片来源：作者自绘）

图2 机械结构设计图2（图片来源：作者自绘）

图3 机械结构设计图3（图片来源：作者自绘）

5.3 材料选择

机械材料包含亚克力、铜柱、螺丝、自攻螺丝、不锈钢丝杆螺杆牙条、复合轴套等，电子材料包含PWM 调节电子开关控制板、12v2835/60型LED 灯带、LM2596S 直流可调降压模块、电源适配器、MG90s 舵机、Arduino micro 控制器、GY-530VL53L0X 激光测距传感器、16 路PWM舵机驱动板等（图4）。

图4 单体实物图（图片来源：作者自摄）

5.4 进阶设计——博物馆等黑暗环境照明系统中的人机交互问题

博物馆等黑暗环境一般采用局部照明的方式，光影为静止状态，交互方式一般采用VR 游戏互动，然而当人们不玩游戏时体验感便大大降低。针对提高人们于建筑内的融入式体验感，通过人体感应硬件和编程完成人体交互设计。

在正对互动装置墙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变化和运动速度，光敏感应代替红外感应，追踪光影实现律动，同时每个单体后方的光源强度随着板子的开合均匀地变化，达到“光动律影”的韵律之美（图5）。

图5 整体效果图（图片来源：作者自绘）

结语

研究阶段，受实际购买渠道及成本限制，相关材料的选择范围会有所缩减，相关性能会有所削弱；此外受实验环境条件影响，加工方式及场地会有所限制。在推广应用时期，可根据具体工程的成本预算，再设计相适应的材料搭配和组合方案，灵活调整加工措施，使其加工成本降低并能够进行大批量的工业化生产。