多传感器融合技术在公共艺术设计中的应用

摘 要：科技与设计的发展密不可分，自计算机成为设计领域内重要部分之后，传感时代的到来为设计尤其具交互特性的公共艺术设计带来了新的思路。本文将先进于普通单传感器系统的多传感器融合技术引入公共艺术设计，介绍了多传感器融合技术的基本原理和系统组成，从多个角度对多传感器融合技术在公共艺术领域的应用优势进行了分析，并给出了应用实例模型，为公共艺术设计的下一步发展提出启迪。

关键词：多传感器；数据融合；公共艺术

现代科学技术的发展对设计领域产生了巨大的影响，科学与艺术的沟通联系着设计的传统与未来。由于计算机技术自出现以来的迅猛发展，如今已成为设计领域内的重要组成部分，引起设计的重构。[1]从某种意义上说，在信息社会中高科技艺术正在成为的一种普遍艺术样式。继计算机技术之后，传感技术随着触屏、三轴陀螺仪等传感器在电子设备中的广泛应用进入了人们的生活，给艺术设计带来了新的可能和机遇。尤其是在公共艺术领域，由于其交互性的重要特征对如何高效地从环境、人群中提取有效信息提出了更高的需求。在先进传感技术中，多传感器融合作为一种高智能地从环境中获取一致性综合信息的技术给设计带来了新的契机。

1 多传感器融合技术简介

多传感器融合技术可类比于人类逻辑系统中自然实现的基本功能，是用机器实现人类由感知到认知过程的模仿。在人类对客观事物的认知过程中，首先使用来自人体中的传感器（眼、耳、鼻、皮肤等）通过听、嗅、视、触、味五觉对客观事物信息（景物、声音、气味等）进行多方位、多种类的感知，从中获得大量冗余和互补的信息。然后根据人脑的先验知识去对这些信息进行相关分析与处理，进而估计、理解周围环境和正在发生的事件，获得对客观事物统一与和谐的理解与认识。这就是人的复杂的，同时也是自适应的认知过程。人类的感官由于具有各自不同的度量特征可以在不同空间范围内对各种事件进行反应。人脑把各种信息（图像、声音、气味、形貌、上下文等）转换成对事物有价值的一致性解释，需要大量不同的智能处理，以及适用于解释组合信息含义的知识库。

传感器可以类比于人的感知器官：通过不同的原理对自然界的光、热、声、磁等信号进行捕捉，由换能器将其转换成电信号，再数字化后经通讯系统传递给计算机进行处理。单传感器系统只能从单个度量维度获得片面的、局部的特征信息，信息量十分有限。同时单个传感器本身的累计误差对系统造成的影响也无法消除。[2]因此，想要获得对事物的一致性准确解释，单一传感器系统力有不足。

多传感器融合技术把多个不同种类的传感器集中于同一个感知系统中，将各个传感器来的数据进行数据融合，形成对被测事物更准确认识。它出现在20世纪70年代初期，最早应用于军事领域，后于20世纪80年代发展起来。近年来随着计算技术、遥感技术、通讯技术以及微电子制造业的迅猛发展，多传感器信息融合技术成为了一个热门的研究方向，获得了更广泛的应用。例如，在人机交互领域，要实现人机交互所追求的最终目标“自然人机交互”，对于人、环境的解读尤为重要，[3]这正是多传感器融合技术的优势所在。

2 多传感器融合系统的基本组成及技术原理

多传感器融合技术，虽然没有一个严格的定义，但可以基本概括为： （1）充分利用多传感器数据资源（来自不同时/空范围）。 （2）在一定的规则下对多传感器所得检测数据进行综合分析。 （3）获得一致性解释并根据所设算法实现相应的决策或估计，实现整个系统获得比各单传感器更加充分的信息。[4]多传感器融合系统一般由如图1所示的三个部分组成：传感器部分（包括数据获取及预处理）、数据融合部分、结果输出部分。

多传感器融合系统就像一个为了实现“对被测对象的一致性解释或描述”而有机装配而成的整体，可类比于人的身、脑综合信息处理系统。其中多传感器系统是整个系统获取数据的硬件基础和手段，所得多源信息成为数据融合的对象；融合是指对数据的协调优化和综合处理，也是联系整个系统的核心。它无法用单一的技术来解决，而是多种跨学科技术、理论的综合。

多传感器融合系统同单传感器系统相比，其系统的复杂性大大增加的同时从自然界所获得的信息量也成倍增长。多个传感器的存在从时间和空间的角度都扩展了信息获取的覆盖范围，[5]而传感器之间的协同作业则提高了信息获取的概率，对于某个传感器不能顾及的检测对象，可由其他传感器完成工作。在某个传感器出现故障、受干扰或不可用的情况下，系统仍有其他传感器可以提供信息，不易受到破坏。

各传感器在信息融合系统中所得的数据、信息具有不同的特征，可以是实时/非实时，快变/缓变，模糊/确定，相互支持/互补，相互矛盾/竞争等等。在系统中，这些复杂的数据不是孤立而是融合的，所得最终信息并不是各传感器信息的简单加和，需要根据各传感器之间的逻辑关系依据智能算法进行联合、相关、组合推导出更多的信息。利用多个传感器协同作业的多传感器融合相比由它的各个传感器分别构成单独系统再加和而成的系统集更有优势。

3 多传感器融合技术在公共艺术设计中的应用

利用多传感器融合技术进行公共艺术设计，将前沿科技与传统艺术方式集成在一起，是一种全新的尝试。从字面意思的理解来看，公共艺术分为公共和艺术两个独立的定义，可以理解为：具有“公共性”含义的艺术形式。其界定的核心原则就是“公共性”。“公共”就意味着公共艺术作品必须是能与民众产生自由交流的一种艺术形式，要以公众自主、自由参与到公共艺术中为前提，任何缺少与民众之间自由评论和互动的艺术形式都不是公共艺术。[6]因此，公共艺术不能仅仅是“艺术家创作”的艺术，而是一种“公共互动”的艺术。如何让公众自主自由参与到艺术作品中，形成真正的“公共艺术”是艺术家们亟待解决的重要问题。完整的公共艺术作品必须是“表达”与“吸收”经互动过程的完整呈现。“吸收”的是来自公众的思想，由公众的行为进行表达，通过互动产生交流。因此，艺术家们需要考虑的一个重要问题是，如何由公众的行为导向公众思想的表达，形成有效的交互。在日本艺术家草间弥生（Yayoi Kusama）创造的作品The Obliteration Room中，草间弥生构建了一个纯白色的房间，每个参观者都将被发放一张彩色波点贴纸，参观者可以根据喜好将贴纸贴在房间中的任意位置。空间中的每一个彩色波点都是参观者对此次参观经历的一种表达。[7]endprint

从参观者的行为、思想的角度进行考虑，人类对于思想的表达具有多样性，有显式的主动动作、行为、语言等等，也有隐式的如表情、眼动、甚至气味及生化物质（如唾液、汗液、荷尔蒙等）的分泌。传统的艺术作品（如图2例）主要是从公众显式的主动作为中获得表达形成交互，所受限制较大，参与门槛较高。将多传感器融合系统应用于公共艺术，首先拓宽了公众思想的行为来源，降低了公众参与的门槛。目前，在国内外已出现了一些基于单传感器的公共艺术作品，但单传感器的单一数据来源、不可靠、易受干扰、不稳定等技术局限性使其发展受到限制。随着先进传感技术的飞跃，除了人类的主要信息来源声音、光、力等自然信号之外，甚至在人传感器力所不及的范畴如红外、紫外等非可见光区域，次/超声波区域，非挥发性痕量生化物质等，我们也能够通过先进传感技术获得所需要的信息。通过多传感器融合技术所带来的巨大优势，科技比人类更懂得人类已经不再是梦想。将多传感器融合系统应用于公共艺术，降低了公众参与公共艺术的阈值。多传感器融合系统对于公众行为的捕捉不是被动的，而是主动地感知公众的行为，将公众“拉”入参与公共艺术的行为中，为公共艺术的设计提供了一种崭新的思路。

以城市中某广场为例，在人们进入广场时，形成参观经历。假设给每个人分发一张彩色波点纸，通过张贴彩色波点纸的显示行为进行表达，即形成类似草间弥生洁净之屋的效果。在没有彩色波点纸的情况下，人们对其参观经历产生隐式的表达。例如，不同的面部表情、走路的步长、速度、方向等等。公众的这些隐式表达可以使用多传感器融合系统进行捕捉。使用彩色数字投影代替彩色波点纸，每一种颜色对应多传感器融合系统所得到的一致性结论。例如，红色对应热情、绿色对应平静、不同程度的黑色对应一些负面情绪如沮丧等，形成交互。此例的多传感器融合系统中，使用摄像装置及压力感应装置对人群进行检测，即通过摄像装置对公众面部表情进行捕捉、压力传感器对公众步态进行捕捉。二类传感器所得数据需进行时间、空间二个层面的融合。时间融合主要是将单传感器的数据进行融合，是指对不同时间点的检测数据进行融合。空间融合适用于多传感器所得信息的一次融合处理，是指对不同位置、类型传感器在同一时刻的检测数据进行融合。在融合过程中，需要结合图像识别技术、步态分析对公众的面部表情、步态行为进行特征数据提取、分析，从而得出对该参与个体的一致性结论，并根据设计需求予以分类。此处可分为热情、平静、沮丧等类别，每一个类别对应于一种颜色，由数字投影进行表达。该“波点”设计的简单模型如图3所示。

随着多传感器融合系统中传感器数量、种类的不断增加，可根据归属将公共艺术装置中使用的传感器分为两类：第一类传感器从属于装置艺术本身，由艺术家根据艺术表达的需求进行设计安装。第二类传感器从属于公众，来自公众随身携带的电子设备，艺术装置提供数据接口，从中获取数据。二类传感器协同作业，通过融合中心进行数据融合，得到全方位多角度的“立体信息”。将多传感器融合系统应用于公共艺术装置，是实现公共艺术公共性的有力保障。

从设计目的的层面考虑，根据马斯洛的理论，将人的需求由低级层次到高级层次依次分为5个层次：生理、安全、社会、尊重以及自我实现。公共艺术的实质就是满足人的真正需求，而不是公共艺术装置的物质形态本身。多传感器融合系统对所得多元数据进行多种层次上的融合，实现对人脑综合信息处理的高级模仿，深刻挖掘公众表面行为背后的含义，帮助艺术家们分析、理解、满足公众的真正需求。随着分布式计算、通讯、云计算、物联网等技术与多传感器数据融合技术的共进发展，多传感器数据融合技术所能实现的功能也越来越强大。可以预见，随着数字化进程的进一步深入，多传感器融合技术与公共艺术的结合必将带给我们更多的惊喜。

参考文献：

[1] 付志勇.设计的重构——论计算机对设计的变革[J].装饰，1995（04）：46-47.

[2] 杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安电子科技大学出版社，2004.

[3] 王熙元.交互设计中的信息传达研究[J].包装工程，2010，31（12）：12-14.

[4] 刘同明，夏祖勋，解洪成.数据融合技术及其应用[M].国防工业出版社，2000.

[5] 王祁，聂伟.分布式多传感器数据融合[J].传感器技术，1997，16（5）：8-10.

[6] 王峰，过伟敏.数字化城市公共艺术交互性内涵研究[J].包装工程，2010，31（24）：124-127.

[7] Jobson C.This is What Happens When You Give Thousands of Stickers to Thousands of Kids.2012：Retrieved June 6，2013 from Colossal：Art and visual ingenuity：http：//www.thisiscolossal.com/2012/01/yayoi-kusama-obiliteration-room/.

作者简介：杨天天（1984—），女，博士，讲师，主要研究方向：数字媒体技术及应用。endprint

从参观者的行为、思想的角度进行考虑，人类对于思想的表达具有多样性，有显式的主动动作、行为、语言等等，也有隐式的如表情、眼动、甚至气味及生化物质（如唾液、汗液、荷尔蒙等）的分泌。传统的艺术作品（如图2例）主要是从公众显式的主动作为中获得表达形成交互，所受限制较大，参与门槛较高。将多传感器融合系统应用于公共艺术，首先拓宽了公众思想的行为来源，降低了公众参与的门槛。目前，在国内外已出现了一些基于单传感器的公共艺术作品，但单传感器的单一数据来源、不可靠、易受干扰、不稳定等技术局限性使其发展受到限制。随着先进传感技术的飞跃，除了人类的主要信息来源声音、光、力等自然信号之外，甚至在人传感器力所不及的范畴如红外、紫外等非可见光区域，次/超声波区域，非挥发性痕量生化物质等，我们也能够通过先进传感技术获得所需要的信息。通过多传感器融合技术所带来的巨大优势，科技比人类更懂得人类已经不再是梦想。将多传感器融合系统应用于公共艺术，降低了公众参与公共艺术的阈值。多传感器融合系统对于公众行为的捕捉不是被动的，而是主动地感知公众的行为，将公众“拉”入参与公共艺术的行为中，为公共艺术的设计提供了一种崭新的思路。

以城市中某广场为例，在人们进入广场时，形成参观经历。假设给每个人分发一张彩色波点纸，通过张贴彩色波点纸的显示行为进行表达，即形成类似草间弥生洁净之屋的效果。在没有彩色波点纸的情况下，人们对其参观经历产生隐式的表达。例如，不同的面部表情、走路的步长、速度、方向等等。公众的这些隐式表达可以使用多传感器融合系统进行捕捉。使用彩色数字投影代替彩色波点纸，每一种颜色对应多传感器融合系统所得到的一致性结论。例如，红色对应热情、绿色对应平静、不同程度的黑色对应一些负面情绪如沮丧等，形成交互。此例的多传感器融合系统中，使用摄像装置及压力感应装置对人群进行检测，即通过摄像装置对公众面部表情进行捕捉、压力传感器对公众步态进行捕捉。二类传感器所得数据需进行时间、空间二个层面的融合。时间融合主要是将单传感器的数据进行融合，是指对不同时间点的检测数据进行融合。空间融合适用于多传感器所得信息的一次融合处理，是指对不同位置、类型传感器在同一时刻的检测数据进行融合。在融合过程中，需要结合图像识别技术、步态分析对公众的面部表情、步态行为进行特征数据提取、分析，从而得出对该参与个体的一致性结论，并根据设计需求予以分类。此处可分为热情、平静、沮丧等类别，每一个类别对应于一种颜色，由数字投影进行表达。该“波点”设计的简单模型如图3所示。

随着多传感器融合系统中传感器数量、种类的不断增加，可根据归属将公共艺术装置中使用的传感器分为两类：第一类传感器从属于装置艺术本身，由艺术家根据艺术表达的需求进行设计安装。第二类传感器从属于公众，来自公众随身携带的电子设备，艺术装置提供数据接口，从中获取数据。二类传感器协同作业，通过融合中心进行数据融合，得到全方位多角度的“立体信息”。将多传感器融合系统应用于公共艺术装置，是实现公共艺术公共性的有力保障。

从设计目的的层面考虑，根据马斯洛的理论，将人的需求由低级层次到高级层次依次分为5个层次：生理、安全、社会、尊重以及自我实现。公共艺术的实质就是满足人的真正需求，而不是公共艺术装置的物质形态本身。多传感器融合系统对所得多元数据进行多种层次上的融合，实现对人脑综合信息处理的高级模仿，深刻挖掘公众表面行为背后的含义，帮助艺术家们分析、理解、满足公众的真正需求。随着分布式计算、通讯、云计算、物联网等技术与多传感器数据融合技术的共进发展，多传感器数据融合技术所能实现的功能也越来越强大。可以预见，随着数字化进程的进一步深入，多传感器融合技术与公共艺术的结合必将带给我们更多的惊喜。

参考文献：

[1] 付志勇.设计的重构——论计算机对设计的变革[J].装饰，1995（04）：46-47.

[2] 杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安电子科技大学出版社，2004.

[3] 王熙元.交互设计中的信息传达研究[J].包装工程，2010，31（12）：12-14.

[4] 刘同明，夏祖勋，解洪成.数据融合技术及其应用[M].国防工业出版社，2000.

[5] 王祁，聂伟.分布式多传感器数据融合[J].传感器技术，1997，16（5）：8-10.

[6] 王峰，过伟敏.数字化城市公共艺术交互性内涵研究[J].包装工程，2010，31（24）：124-127.

[7] Jobson C.This is What Happens When You Give Thousands of Stickers to Thousands of Kids.2012：Retrieved June 6，2013 from Colossal：Art and visual ingenuity：http：//www.thisiscolossal.com/2012/01/yayoi-kusama-obiliteration-room/.

作者简介：杨天天（1984—），女，博士，讲师，主要研究方向：数字媒体技术及应用。endprint

从参观者的行为、思想的角度进行考虑，人类对于思想的表达具有多样性，有显式的主动动作、行为、语言等等，也有隐式的如表情、眼动、甚至气味及生化物质（如唾液、汗液、荷尔蒙等）的分泌。传统的艺术作品（如图2例）主要是从公众显式的主动作为中获得表达形成交互，所受限制较大，参与门槛较高。将多传感器融合系统应用于公共艺术，首先拓宽了公众思想的行为来源，降低了公众参与的门槛。目前，在国内外已出现了一些基于单传感器的公共艺术作品，但单传感器的单一数据来源、不可靠、易受干扰、不稳定等技术局限性使其发展受到限制。随着先进传感技术的飞跃，除了人类的主要信息来源声音、光、力等自然信号之外，甚至在人传感器力所不及的范畴如红外、紫外等非可见光区域，次/超声波区域，非挥发性痕量生化物质等，我们也能够通过先进传感技术获得所需要的信息。通过多传感器融合技术所带来的巨大优势，科技比人类更懂得人类已经不再是梦想。将多传感器融合系统应用于公共艺术，降低了公众参与公共艺术的阈值。多传感器融合系统对于公众行为的捕捉不是被动的，而是主动地感知公众的行为，将公众“拉”入参与公共艺术的行为中，为公共艺术的设计提供了一种崭新的思路。

以城市中某广场为例，在人们进入广场时，形成参观经历。假设给每个人分发一张彩色波点纸，通过张贴彩色波点纸的显示行为进行表达，即形成类似草间弥生洁净之屋的效果。在没有彩色波点纸的情况下，人们对其参观经历产生隐式的表达。例如，不同的面部表情、走路的步长、速度、方向等等。公众的这些隐式表达可以使用多传感器融合系统进行捕捉。使用彩色数字投影代替彩色波点纸，每一种颜色对应多传感器融合系统所得到的一致性结论。例如，红色对应热情、绿色对应平静、不同程度的黑色对应一些负面情绪如沮丧等，形成交互。此例的多传感器融合系统中，使用摄像装置及压力感应装置对人群进行检测，即通过摄像装置对公众面部表情进行捕捉、压力传感器对公众步态进行捕捉。二类传感器所得数据需进行时间、空间二个层面的融合。时间融合主要是将单传感器的数据进行融合，是指对不同时间点的检测数据进行融合。空间融合适用于多传感器所得信息的一次融合处理，是指对不同位置、类型传感器在同一时刻的检测数据进行融合。在融合过程中，需要结合图像识别技术、步态分析对公众的面部表情、步态行为进行特征数据提取、分析，从而得出对该参与个体的一致性结论，并根据设计需求予以分类。此处可分为热情、平静、沮丧等类别，每一个类别对应于一种颜色，由数字投影进行表达。该“波点”设计的简单模型如图3所示。

随着多传感器融合系统中传感器数量、种类的不断增加，可根据归属将公共艺术装置中使用的传感器分为两类：第一类传感器从属于装置艺术本身，由艺术家根据艺术表达的需求进行设计安装。第二类传感器从属于公众，来自公众随身携带的电子设备，艺术装置提供数据接口，从中获取数据。二类传感器协同作业，通过融合中心进行数据融合，得到全方位多角度的“立体信息”。将多传感器融合系统应用于公共艺术装置，是实现公共艺术公共性的有力保障。

从设计目的的层面考虑，根据马斯洛的理论，将人的需求由低级层次到高级层次依次分为5个层次：生理、安全、社会、尊重以及自我实现。公共艺术的实质就是满足人的真正需求，而不是公共艺术装置的物质形态本身。多传感器融合系统对所得多元数据进行多种层次上的融合，实现对人脑综合信息处理的高级模仿，深刻挖掘公众表面行为背后的含义，帮助艺术家们分析、理解、满足公众的真正需求。随着分布式计算、通讯、云计算、物联网等技术与多传感器数据融合技术的共进发展，多传感器数据融合技术所能实现的功能也越来越强大。可以预见，随着数字化进程的进一步深入，多传感器融合技术与公共艺术的结合必将带给我们更多的惊喜。

参考文献：

[1] 付志勇.设计的重构——论计算机对设计的变革[J].装饰，1995（04）：46-47.

[2] 杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安电子科技大学出版社，2004.

[3] 王熙元.交互设计中的信息传达研究[J].包装工程，2010，31（12）：12-14.

[4] 刘同明，夏祖勋，解洪成.数据融合技术及其应用[M].国防工业出版社，2000.

[5] 王祁，聂伟.分布式多传感器数据融合[J].传感器技术，1997，16（5）：8-10.

[6] 王峰，过伟敏.数字化城市公共艺术交互性内涵研究[J].包装工程，2010，31（24）：124-127.

[7] Jobson C.This is What Happens When You Give Thousands of Stickers to Thousands of Kids.2012：Retrieved June 6，2013 from Colossal：Art and visual ingenuity：http：//www.thisiscolossal.com/2012/01/yayoi-kusama-obiliteration-room/.

作者简介：杨天天（1984—），女，博士，讲师，主要研究方向：数字媒体技术及应用。endprint