基于LED照明系统的互动媒体设计

高 自 强

( 大连工业大学 艺术设计学院, 辽宁 大连　116034 )



基于LED照明系统的互动媒体设计

高 自 强

( 大连工业大学 艺术设计学院, 辽宁 大连116034 )

摘要:通过红外感应的互动手段来控制LED的灯光效果，设计了一种由红外发射装置与LED接收发光装置组成的与环境互动、集媒体艺术与节能环保于一体的具有照明功能的互动媒体设施。电路设计在展示视觉效果的同时使用红外感应技术设计更加人性化，所使用的LED作为照明元件及其他电子元件都是低能耗元件，系统运行更加低碳环保。配合适当的保护装置设计可以广泛应用于室内室外环境，人流密集的地方更加适用。

关键词:LED；电子艺术；红外感应；互动媒体

0引言

LED光源以其节能环保等特点一经面世就吸引了各界的关注，使之成为近年国内照明领域的最大热点。LED光源具有功耗低、寿命长、无毒、坚固耐用、颜色丰富的特点，成为传统照明、城市景观照明领域的主导产品。广泛应用于交通信号灯、应急灯具、影视舞台灯具、机场跑道灯具、户外景观灯具等[1]。同时LED为利用声、光、电等现代科技实现互动媒体设计提供了广阔的舞台，在LED从设计到普及的过程中，LED技术不断地与电子技术、计算机信息技术相结合应用于人机交互领域，对媒体互动艺术的发展起到了很大推动作用[2]。互动媒体效果的实现始终是以视觉效果为中心的，LED技术的发展是这个技术的核心力量，将LED可见光作为互动媒体作品的技术手段同时也是一种照明工具[3]。红外LED作为人机交互工具使这种互动媒体装置的开关变得人性化，设计也着重考虑了低碳环保等问题，作为互动媒体作品也作为城市照明设施，艺术性与功能性的巧妙结合，使设计真正服务于大众[4]。

置身于城市的夜景中，照明除了实现自身功能作用，及对城市环境的建筑、环境等综合设施的描述以外，还应该兼顾对另一个层面的信息加以表达，即创造与城市美学价值相一致并使其更完整的审美体验，这也是一种功能的表达[5]。城市环境中，人是在不断移动的，人的视觉也会随着身体的移动而移动，并扩展了视觉范围[6]。运动产生的视觉效果改变，同时影响环境的变化，作为城市环境因素之一，随着时间和空间线索的变化，形成了具有一定逻辑关系的视觉叙事，就像电影一样，呈献给人的视觉信息在积累，人的情感和感知也在丰富，人与环境的互相影响进而美学倾向越明确，审美欣赏的价值就越大[7]。

杨东升[8]侧重媒体发布装置技术的研究,而缺乏互动娱乐性。权英卓等[9]所设计的互动屏长时间持续高能耗工作，却没有考虑绿色环保的问题。众多艺术展会中的互动媒体设施，设计新颖奇特，但只是单纯装置艺术，缺乏实际功能公用性。

本发明系统设计中的LED媒体互动系统利用电子科技手段突出展现了LED技术所能展现的光影效果，使用红外感应等科技手段，实现了“以媒体概念主导创意概念”[10]。

1LED互动媒体系统组成

如图1所示，互动媒体系统包括LED灯板(即接收发光装置)和照明发射装置2部分，LED灯板通常安装在人行通道左侧墙壁上，发射装置安装在人行通道右侧墙壁上，外部用玻璃板隔离；LED灯板由多个发光及接收装置组成，发光及接收装置按矩阵排列安装在同一张电路板上，外部用玻璃板隔离；发射装置向发光及接收装置发射信号[11]。

1—LED灯板1； 2—发射装置； 3—墙壁； 4—墙壁

图1系统组成示意图

Fig.1Schematic diagram of system

2LED互动媒体系统设计

2.1LED灯板设计

LED发光及接收装置如图2所示,包括红外线接收管HRM0038、单运放芯片LM741和发光二极管Piranha。

图2　接收发光装置图

二极管D4 1N5819和电解电容C5这两个元件的作用就是当发光二极管Piranha断电后，电解电容C5可对发光二极管Piranha持续放电一段时间，使发光二极管Piranha出现一种延时熄灭的效果，在夜晚行人移动时可产生人流涌动的霓虹效果；这种效果是行人经过时在“发光区域”的后面出现一个“残影”就像彗星一样的长长的“拖尾”效果，行人移动速度越快，这种“拖尾”就越长，这样就更增加本发明的互动娱乐性，如图3所示。

红外线接收管IC3为一体化红外线接收管，型号为HRM0038；发光二极管Piranha为高亮度的白偏蓝色发光二极管，最好选用高亮度的鹰眼LED，体积小亮度高。

发光及接收装置按矩阵排列安装在同一张电路板上，分布的横向间距和纵向间距都是5 cm。

2.2照明发射装置

发射照明发射装置如图4所示。包括计时芯片IC1 NE555、红外线发射管LED1。端子7为放电端口，经过二极管D2 1N4148连接无极电容C2后接地，作为放电通路；电阻R2与二极管D1 1N4148串接，并联于端子7和二极管D2 1N4148两端，再与电阻R1串连接电源正极，改变电阻R2的大小，控制充放电时间，来调节占空比。

图3　LED灯板的尺寸与光影效果

图4　照明发射装置电路图

发光及接收装置按矩阵排列安装在同一张电路板上，分布的横向间距和纵向间距都是5 cm。LED灯板由20 cm×40 cm的单元电路板拼装而成，每个单元电路板上都有两组电源的输入输出，单元电路板之间的电源供应形成多通道网状并联电源供应方式，这样任意通道意外阻断都不会影响整个LED灯板的正常工作。

计时芯片IC1 NE555的型号是通用555型号，包括NE555P或HA17555；无极电容C1和无极电容C2是高频瓷介电容或CBB电容；红外线发射管LED1选用Φ5 mm的大功率红外线发射管，波长为850 nm，发射角度范围90°～120°，角度范围越大越好，对应覆盖的LED灯板1的面积也就越大；电阻R2选用0～50 kΩ高精密可调电阻，待阻值确定后再用相应阻值的金属膜电阻代替，调节过程中，确保红外线发射管LED1两端的电压在1～1.4 V，红外线发射管LED1可以正常工作。

2.3媒体互动的工作原理

发射装置2包括计时芯片IC1 NE555与三极管Q1 8050等外围元件构成频率为38 kHz、占空比约为30%的振荡器，调节电阻R2到33 kΩ左右的时候，输出频率基本符合要求，也可以借助示波器来调试，观察发射机发射频率为38 kHz时，振荡信号经计时芯片IC1 NE555的端子3输出加载至三极管Q1 8050的基极，由三极管Q1 8050的发射极驱动红外线发射二极管LED1，发射出波长为850 nm的红外光。

接收装置主要由红外线接收管HRM0038和一枚单运放芯片LM741和高亮发光二极管Piranha组成，行人通过时接收装置会接收和阻断来自发射装置2的红外信号，阻断时也就是接收装置无法收到红外信号时，高亮发光二极管Piranha发光，接收到红外信号时高亮发光二极管Piranha熄灭。

由于单运放芯片LM741结成比较器的形式，红外线接收管HRM0038接收到红外信号时，输出端管脚1输出为低电平，单运放芯片LM741正向输入端端子3电位低于反向输出端端子2，这样比较器输出端端子6就会输出低电平，高亮发光二极管Piranha处于熄灭状态。当有人经过时阻断了发射装置2发出的红外信号，则红外线接收管HRM0038无红外信号输入，输出端管脚1立即变为高电平，单运放芯片LM741正向输入端端子3电位高于反向输出端端子2，比较器翻转，输出端端子6就会输出高电平，使高亮二极管Piranha点亮。只要行人离开接收范围，被阻断了的发射装置2发出的红外信号再次持续被接收装置接收，比较器再次输出低电平，接收装置的高亮LED1灯板就持续处于熄灭状态。

3效果与实例分析

3.1媒体互动的效果

设计的基本功能是充当行人的照明光源，它摒弃了传统方式上的定时开关，而是通过更加科学的感应方式来控制光源的明灭。有人经过的时候，它相当于实时捕捉人的影像，发光灯板的LED发光区域正是行人的外形轮廓的映射，就像是一个个发光的影子，跟随人的动作而产生变化，当人离开这座光影墙，发光灯板同时自动关闭。发光二极管出现一种延时熄灭的效果，在夜晚行人移动时可产生人流涌动的霓虹，这种效果是行人经过时在“发光区域”的后面出现一个“残影”就像彗星一样的长长的“拖尾”效果，行人移动速度越快，这种“拖尾”就越长，这样就更增加本专利的互动娱乐性，如图5所示。

图5　单人演示光影效果

这种互动式设计方式，使得路过它的行人越多，行走速度越快，它的总体亮度就越高，从而使得它作为光源的效率会得到很大的提升，不仅节能环保，而且为公众提供了一个互动娱乐设施。互动光影墙为大面积的LED矩阵，通过内部传感器来控制LED的明灭，电路调整好后，将发射装置和LED灯板接收装置分开安装在通道两侧墙壁上，接通电源后，当行人通过时人为阻断发射信号，LED便点亮，实现照明；当行人离开时，LED熄灭，照明结束。LED的照明范围为行人的实时轮廓，离开延时熄灭，便产生了互动效果。

3.2实例分析

实施例1室内空间的应用

本发明可广泛应用于地下通道、桥下通道、电影院通道等娱乐场所中，不方便提供大规模照明设施或者人流不集中的地方，将LED灯板1固定在墙面上,根据墙面的高度，确定LED灯板1的高度和位置，通常高度保持距地面20～30 cm，LED灯板1的长度根据通道的长度来确定，同时也要考虑人流的多少，还有安装在通道的相对位置，可以是长距离连续10 m以上，也可以是3 m长度为一个单位，间隔一定距离放置一段LED灯板1，这样的分布更加高效节能。发射装置2可以固定在LED灯板1对面的墙体上，通常发射装置2与LED灯板1的水平有效距离在15～20 m，这样可以保证信号无损接收，完全可以满足地下通道和桥下通道的宽度要求，通常一个发射装置2的发射角范围是120°，如图6所示，如果发射装置2距离LED灯板15 m，那么发射装置2可控制的灯板长度范围就是10 m，如果从空间上来讲发射范围为直径10 m、高度5 m的一个圆锥体[12]。

图6　发射端与LED灯板透视

实施例2室外景观的应用

本发明可广泛应用于建筑物外墙和围栏，将LED灯板1置于室外，相对于室内可以大大提高利用率，能使照明辐射范围更大，发射装置2的放置更加灵活自由，在室内安装通常LED灯板1的安装高度要考虑到顶棚高度的问题，而在室外安装不需要考虑这个问题，还可以将LED灯板1安装在滑道内根据需要自由升降，这样所有经过的行人都可以加入体验的行列，使LED灯板1真正成为互动娱乐设施，LED灯板1的相应保护设施也很简单，在LED灯板1的表面加装玻璃板，在玻璃板的周边安装不锈钢边框，这样就可以防止雨、雪、大风等恶劣天气造成的影响。LED灯板1的LED发光区域正是行人的外形轮廓的映射，就像是一个个发光的影子，跟随人的动作而产生变化，这种互动式的工作方式，使得路过它的行人越多，行走速度越快，它的总体亮度就越高，利用率也就越高，作为光源的效率也会得到很大的提升，不仅节能环保，同时为公众提供了一个互动娱乐设施，将本发明放置在室外更能成为广大市民休闲娱乐，放松心情的好地方，当人们在茶余饭后，三五成群游弋于这座互动光影墙周围，更形成了一道城市亮丽的风景线[13]，如图7所示。

实施例3交通设施的辅助应用

本发明可广泛应用于公交、出租车站点，只需要将设计做成小尺寸的如:宽1 m、高2 m的灯板即可。因为放于室外使用所以LED灯板1同样需要加装玻璃板和不锈钢边框，发射装置2可以直接安装在地面，类似于步行街常用的地面射灯，发射装置2与灯板的水平距离控制在2 m以内，保证发射角度对准LED灯板1即可。这样做可以使LED灯板1在作为照明光源的同时还可以作为公交车和出租车的导向标，只要出租车司机或公交车司机看到LED灯板1发光便可知道有乘车需求，因为LED灯板1为高亮发光体，可识别度在100 m范围内，为公交和出租司机带来了极大的方便，如图8所示。

图7　多人演示光影效果

图8　交通设施的辅助应用

4结论

(1)设计可以简单地看成大面积LED灯板，发射装置主要负责红外线的发射，接收装置主要负责红外线的接收、判断、触发、开关高亮LED。在使用中，发射装置和接收装置拉开一定距离安装，接收距离范围可达到15～20 m。在工作中，发射装置形成一束红外线，当有行人经过时，会瞬间阻断红外线，接收装置触发即点亮LED，人物轮廓就以像素点阵的方式出现在LED灯板上，带来互动娱乐性，所以设计产生的互动效果并不需要大规模投影设备和视频捕捉设备。

(2)LED灯板安装在墙面上，外面安装玻璃板起保护作用，发射装置安装于墙面上，外面也同样有玻璃板保护，所以设计安装于室内、室外都可以正常工作。LED单元电路板都有两组电源的输入输出，这样单元电路板之间的电源供应方式就形成了多通道网状并联电源供应方式，如有局部单元电路板损坏并不影响其他单元电路板正常工作，及时更换相应单元电路板即可。

(3)根据实际测试，单元电路板(20 cm×40 cm) 的电流为0.06 A,小能耗工作，LED灯板耗电约4 W/m2，高效节能,不存在高发热量和处理大量粉尘问题。

参考文献:

[1] 林柏强.2011中国能源发展报告[M].北京:清华大学出版社,2011:49-78.

[2] 费菁.超媒体,当代艺术与建筑[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:29-44.

[3] 陶蒙华.融合的互动媒体技术与应用分析[J].移动通信,2012(23):21-24.

[4] 李宜蓁.互动媒体产业发展浅析[J].西部广播电视,2014(8):49-51.

[5] 梁羡荣.从互动形式看互动媒体艺术创新——以LED灯光媒材互动装置为例[J].文教资料,2014(6):66-67.

[6] 武晓雯.基于互动媒体支撑下西方经济学课堂教学设计[J].金融经济,2014(22):70-72.

[7] 张新宇.公共空间艺术中的互动媒体艺术应用[J].浙江工业大学学报,2010,9(3):296-300.

[8] 杨东升.大尺寸LED背光源现况与展望[J].信息技术与标准化,2010(10):17-19.

[9] 权英卓,王迟.互动艺术新视听[M].北京:轻工业出版社,2007:35-79.

[10] 张彦翔.互动媒体产业及技术分析[J].现代电信科技,2011(6):73-75.

[11] 段淳林,顾晓渊.互动媒体的创意趋势与品牌传播创新研究[J].编辑之友,2011(6):57-59.

[12] 马卫星.现代照明设计方法与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2014:35-78.

[13] 杨绍胤.LED照明工程设计与施工[M].北京:中国电力出版社,2013:89-98.

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

作者简介:高自强(1979-)，男，讲师，E-mail:gzq0421@aliyun.com.

收稿日期:2015-10-26.

中图分类号:TM923.34；O439

文献标志码:A

文章编号:1674-1404(2016)01-0062-05