灯光环境显示系统中多维度信息传递的研究

马华

(苏州工艺美术职业技术学院 数字艺术系，江苏，苏州 215104)



灯光环境显示系统中多维度信息传递的研究

马华

(苏州工艺美术职业技术学院 数字艺术系，江苏，苏州 215104)

灯光是一种常见的环境显示(Ambient Display)媒介，它能在提供新颖与美的体验的同时，传递一定的环境信息. 但是，由于灯光的抽象特性，灯光环境显示在传递多维度信息，提高信息容量，并通过灯光有效表达具体的细节信息方面，还有待探索. 本文基于距离交互理论，探索灯光环境显示的一种交互设计框架，在理解用户行为和意愿的基础上，研究如何基于此框架向人们传递多维度的和具体的细节信息. 研究结果表明，通过保持不可见性与有效性之间的平衡，基于具有叠加机制的交互框架，以合理的变化为载体，灯光环境显示将能够有效地提高信息传递的容量.

环境显示；距离交互；交互框架；信息容量；变化；灯光

随着传感技术、新兴媒介以及各种交互技术的不断应用，环境显示领域中传递环境信息的形式越来越多样，传递信息的媒介也越来越丰富. 灯光是一种具有抽象性的可视化媒介. 同时，智能灯光被证明是在新型环境显示设计中传递信息的一种有效的交流媒介[1]，并能在美化和加强特定氛围的同时，使人感知情境. 然而，因为灯光在信息装饰方面的抽象特性，用智能灯光来传递多维度的信息和某些具体的细节信息成为了环境显示设计中的难题.

现有的距离交互理论研究表明，用户隐性的行为线索(如：方向和距离)和显性的行为活动[2](如：手势和点击触摸)对于环境显示会产生3个交互区域[3]和4个交互阶段[2]. 在此基础上，环境显示的设计需要基于一个行为和反馈的交互框架[4]，使其更好地理解用户的行为、感知用户的意愿，并设计相应的系统通知级别[5]来有效传递信息.

本文将基于距离交互理论来研究如何在以灯光为媒介的环境显示设计中传递多维度的信息，从而提高信息传递的容量，并有效传达具体的细节信息. 通过分析用户行为及其所处的情境之间的关联，研究用户活动与系统反馈之间的关系，从而探索一种环境显示的交互设计框架. 在这个框架中尝试用维度(离散的信息来源[6])的数量来描述信息容量，并在交互区域与信息维度之间建立关联. 同时，在此交互设计框架中，通过设计“变化”创造一系列显示事件，提供用户所期待的、能感知的信息.

1 相关工作

1.1 关于环境显示交互框架的研究

许多研究基于距离探索环境显示的交互框架[2-3，7]. 这些框架中，从隐性交互到显性交互，在不同的交互阶段之间，环境显示的变化会使人们产生对信息的需求并使他们主动参与互动[7].

斯特赖茨等[3]根据距离将环境显示的交互区域区分为3个：环境区域、通知区域和交互区域. 见图1. 在其实验项目环境集市中，他们分别设计了等待图案和通知图案两种不同的灯光图案，对应人们在环境区域和通知区域两个不同的区域接收到的信息. 在交互区域，他们使用手持的移动终端设备为人们提供环境感知服务，通过终端设备提供细节化的、个人的信息. 见图2.

在沃尔格等[2]的研究中，他们探索一种具有4个阶段的交互框架，包括了：环境显示阶段、隐性交互阶段、细微交互阶段和个人交互阶段. 4个交互阶段分别覆盖了从远距离的隐性交互到近距离的显性交互，同时，相对应地从传递公共信息到传递多用户的个人信息.

朱温迪等[7]注重研究显性交互和隐性交互之间的变化. 他们认为：研究变化，就是研究何时和如何告知用户、使用户感知. 因此，他们实践了一种隐性交互的交互框架，将用户注意力需求水平和系统主动性级别两个轴，应用在一块白板上. 在公共、社会、个人和私密4个区域之间设计变化.

马修斯等[8]将环境显示中的通知水平定义为5个级别：忽略、改变无视、使人意识到、打断和需要注意. 同时，基于这5个级别，将变化分为3类：平稳变化、突然变化和吸引注意力的变化.

1.2 关于以灯光为媒介的环境显示应用

以灯光为媒介的环境显示被应用在很多不同的情境中，例如家庭生活、办公和社交等.

环境球[9]是一个利用不同色彩的灯光显示实时信息的球形灯. 实时信息可以有交通拥挤情况、实时天气情况、股市行情等等. 环境集市利用多样的灯光图案来代表不同的公共信息和个人信息，并借用手持终端在近距离的交互区域将抽象的灯光图案翻译为具体的细节信息. 借用一个屏幕是其提高信息容量的方法. AmbiPower[10]采用跳动的彩色灯光显示家庭中当前的使用电量. 从绿色到红色，代表了消耗的电量的增加. 其中颜色的变化能以不显眼的方式很好地传递信息，但是跳动本身造成了一定程度的打扰. 为了管理会议时间，欧凯里尼等[1]探索了灯光能否在工作环境中传递环境信息. 在其卤素灯的原型中，灯光的上下方向、颜色和强度均被采用在显示会议的状态.

这些研究探索了利用灯光的不同属性(颜色、亮度、图案、变化的频率等)对原始数据进行编码，并设计对应的显示事件. 但是，在以灯光为媒介的环境显示设计中还存在着有待解决的问题. 例如，怎样在不打扰人们的同时有效传递信息，即保持传递信息的不可见性和有效性两者之间的平衡？怎样合理地对信息进行编码？本文，将在这两个问题的基础上，探索如何提高其有效传递信息的容量.

2 交互框架

2.1 研究环境的分析

本文的研究环境是工作区域中的公共休息空间. 通过为公共休息空间设计灯光环境显示系统来进行相关研究. 研究针对一个名为“Breakout 404”的房间，它是工作区域中公共的、开放的、并具有交谈和休息等多种功能的房间. 房间的使用频率很高. 通过观察和调研，人们在使用这个房间过程中存在着两方面的信息需求. 首先，房间是否被占用是人们最关注的；其次，某些相关的信息线索可以帮助房间外的人们做出决定. 如果房间是被占用的，人们是否需要等待一会儿，还是去寻找使用其他的房间？这取决于房间还将被使用多久. 相反地，如果房间是空闲状态，能否直接进入房间？房间是否已被预约？

但是，“是否不久将空闲？”及“是否很快有预约？”这两个信息较为抽象和主观，需要分别利用更多的细节和客观的信息来描述. 信息“是否不久将空闲？”，将帮助人们决定是否继续等待这个房间. 大部分被采访者认为：如果等待时间超过30 min，人们将不再等待；如果等待时间低于30 min，人们会希望了解具体需要等待的时间，从而来帮助自己做决定. 因此，如表1中所示，对应上述两种情况，分别用信息2.1和信息2.2来对应显示. 信息“是否很快有预约？”，是帮助人们决定是否使用当前空闲的房间. 同样地，如果30 min内没有预约，大部分被采访者会直接进入房间. 相反，如果30 min内有预约，人们会要关注具体多久房间将要被使用. 针对这两种情况，信息3.1和信息3.2分别对应显示. 详见表1.

表1 信息的信息源与信息维度分析

针对以上需求，设计一个可交互的灯光环境显示系统iKnow，见图3，来传递与房间相关的信息. iKnow基于一个具有叠加机制的交互框架，通过合理的信息编码和设计变化来提高信息传递容量.

2.2 具有叠加机制的交互框架

iKnow作为以灯光为媒介的环境显示系统，需要在不超出用户感知能力的前提下，传递多维度的信息；需要分析人们在不同情境下对不同信息的期待，从而传递人们需要的信息. 更近的距离将带来人们之间交流度和亲密感的提升[11]. 基于斯特赖茨等提出的环境显示的“距离交互区域”[3]，从环境区域、通知区域到交互区域，人们的注意力水平逐渐提升. 同时，人们接受信息的开放度也逐渐提高[2]. 因此，在最接近iKnow的交互区域，人们比较容易接受更多、更细节的信息.

当人们从最远的环境区域到最近的交互区域，iKnow逐渐递增所传递的信息维度. 信息源被叠加在前一个交互区域所传递的信息源之上. 例如，当人们逐渐走近iKnow，他们已经从iKnow读到了房间的状态，空闲或者被占用. 在近距离面对iKnow时，即使iKnow不再直接表达房间空闲与否这个信息源，他们也已经能直观和潜在地理解房间的状态.

另一方面，在不同房间状态下，相同的区域，传递的信息可以不同. 同样在交互区域，当房间是空闲的，iKnow呈现的是距离预约的时间；而当房间被占用时，呈现的则是还需占用的时间.

因此，根据以上两方面的探索，iKnow在交互框架中利用叠加机制，尝试在不同区域分配不同的信息维度. 环境区域中分配的信息维度为1，通知区域的信息维度递增为2，交互区域递增为3. 见图4.

从图4中还可以看到，从环境区域到交互区域，iKnow有8个系统状态. 每个系统状态传递不同的信息，也具有不同的信息维度. 具体的信息源分布见表2.

表2 系统状态及信息源分布

基于具有叠加机制的交互框架，iKnow利用人们随着注意力水平的提高，对接受信息的开放度提高的特点，逐步提高传递信息的维度. 同时，根据人们在不同情境下对不同信息的期待，在交互框架中，传递不同的信息. 从这两个方面来提高环境显示系统的信息容量.

但是，在此基础上，交互框架中的每个信息源需要有合理的信息编码方式来对应. 在系统状态变化时，需要设计恰当的变化，与当时人们的注意力水平相当. 这样才能使人们很好地接受和感知信息.

2.3 信息编码和变化设计

灯光有其特有的属性来支持信息编码，例如：颜色、亮度、饱和度，以及变化的频率和周期等[10]. iKnow考虑基于灯光的特有属性，变化等级[8]，以及环境显示的元素[12]，来进行信息编码.

马修斯等提出，基于人的注意力级别和系统的通知级别，变化等级，可以被分为平稳变化、突然变化和吸引注意力的变化. 变化等级与注意力级别和通知级别的对应关系见表3.

2.3.1 信息输出通道与数据匹配

从表4中可以看出，在环境区域，iKnow将数据源(房间状态：空闲或被占用)与输出通道(灯光颜色)相匹配. 红色匹配被占用，绿色匹配空闲. 而在通知区域，输出通道(LED灯的快闪)被用来与两个数据源(“30 min内有预约”及“还将占用不到30 min”)匹配. 在交互区域，iKnow尝试使用一种特殊的输出通道(饱和度对比)来表达具体时间(“多久将会有预约”以及“还要被使用多久”).

表3 马修斯的变化等级与注意力和通知级别

Tab.3 Transition classes， attention and notification levels in Matthew’s PTK

注意力级别通知级别变化等级集中注意力需要操作集中注意力打断吸引注意力的变化分散的注意力使意识到突然变化不注意看到平稳变化

表4 “iKnow”的输出通道和数据匹配

2.3.2 系统通知级别及“变化”的设计

在交互框架中，从环境区域到交互区域，iKnow的各个系统状态的通知级别也随之逐渐提升，如图5所示. 基于不同的系统通知级别，iKnow设计恰当的变化来与人们的注意力水平对应，并有效实现信息的传达，使人们感知并理解相应的信息. iKnow应用隐性交互方法：系统对用户正在进行的行为做出反馈；系统向用户展示系统本身的状态. 为了对用户逐渐靠近的行为做出反馈，在系统状态从①转变为③或⑤，以及从②转变为④或⑥，采用提高亮度的变化方法T(I) (见图5)，使人们的注意力级别从不注意到分散的注意.

当系统状态从①转变为⑤，以及从②转变为⑥，iKnow在提高亮度的同时出现中部LED灯的快闪变化T(Q)，并同步出现一个触摸区域，增加了一个输出通道，变化T(A)，来邀请人们触摸它，暗示将有更多地信息会呈现(见图5). 其含义在于，向用户展示系统本身的两个状态，即“房间在30 min内有预约”或者“房间还将被占用的时间少于30 min”，并提醒人们可以通过触摸，看到具体时间信息.

在通知区域的系统状态⑤或者⑥，当人们被快闪吸引了足够的注意力，人们会靠近iKnow，进入交互区域，并触摸它. 此时，iKnow用停止LED的快闪变化T(SQ)来对用户的触摸动作做出反应，系统状态转变为⑦或⑧. 在系统状态⑦和⑧，iKnow改变了灯光颜色的数据源匹配，变化T(C)，将灯光颜色匹配为后续的房间状态，而不再是当前的房间状态. 与此同时，采用了特殊的输出通道，即将iKnow分为上下两个部分，通过比较上下两个部分灯光的饱和度来表现具体时间.

3 iKnow的效果评估

3.1 评估方法与过程

iKnow尝试为环境显示系统提高信息容量和传递细节信息，并保持不可见性与有效性之间的平衡. 为了评估其是否达到了这样的设计目标，从感知、理解和体验3个层面细化了研究问题，见表5.

表5 3个层面的细化研究问题

招募在此区域工作的15位测试对象(5位研究生，10位教师). 预设一套开放问题(7个问题组)，进行走查评估. 测试对象需要在评估过程中，完成设定好的任务，并以口头和书面两种形式回答问题. 评估者采用定性的研究方法，通过访谈、问卷和观察方法来收集数据.

3.2 评估结果分析

在感知层面，测试对象能注意到iKnow的变化. 当他们在房间门口时，他们能感觉到灯光比原来亮了，他们开始注意到iKnow. 当LED亮度提高和快闪的时候，他们产生了好奇心，注意力级别逐渐提升. 有两位测试者提出，当房间空闲，并且30 min内没有预约的时候，在通知区域的系统通知级别可以略有降低. 在这个情境中，iKnow不需要通过变化对人们进行提醒. iKnow建议人们直接进入房间. 因此，这表明了有可能尝试在同一个区域的相同条件下，根据情境的不同，安排不同的通知级别. 例如，系统状态③和④，可以探索设定不同的通知级别.

在理解层面，当测试者们走近iKnow或者触摸之后，即使iKnow增加了数据输出通道，或者改变了数据源匹配，他们仍能清晰地理解，将被告知什么信息. 一些测试者还表现出获得更多信息的兴趣. 这些结果表明，基于叠加机制的交互框架，灯光环境显示系统有效提高信息容量是可能的.

在体验层面，测试者们都能很好地完成设定好的任务，在不同的情境下，对于使用房间与否，做出了恰当的决定. 但也有测试者提出，iKnow把30 min作为一个统一的标准，将剩余的时间和距离预约的时间与30 min进行比较，可能会比较难适应不同的人. 因为，不同的人对“不久”的理解是不同的.

3.3 评估总结

首先，测试者们对iKnow产生了极大的兴趣. 特别是，他们认为iKnow既很新奇，又很有用. 当他们想要进入房间，或者在等待房间的过程中，他们能够从灯光中获得有用和多样的信息. 他们获得的信息，正是他们在那一刻所期待的.

其次，结合人们自身的行为和房间的状态，他们能注意和抓取到系统的变化. 同时，这些变化与他们在不同时刻的注意力水平吻合. 既没有打扰到他们，又有效地表达了信息. 因此，在将来的探索中，可以在这样的框架下，进一步研究人们对于变化的可承受能力.

4 结 论

本项研究着重探索灯光环境显示系统提高信息容量和传递具体细节信息的可能性及方法. 在研究中，两个重点是被关注的:① 信息传递不能超出人们的理解范围；② 信息传递需要保持不可见性与有效性的平衡. 通过为公共房间Breakout 404设计灯光环境显示系统iKnow，对研究目标进行探索. iKnow的设计目标是传递多样的、具体的有用信息，包含房间状态、房间使用时间、预约时间等信息，从而帮助人们对自己的行为作出决定. 例如：使用房间、等待房间或者选择其他房间.

从分析的结果可以看出，iKnow基于一个具有叠加机制的交互框架，能有效传递多维度的信息. 人们能够感知信息，并获得与情境有关的线索和建议，从而来作出决定. 具体来看，首先，传递的信息与人们的期待相匹配. 其次，交互框架中每个系统状态的通知级别符合人们的注意力水平，编码方式和变化的设计实现了信息传递的不可见性和有效性.

总的来说，研究表明，尽管灯光在信息装饰方面具有着抽象的特征，它作为一种媒介在表现美感和营造氛围的同时，同样能有效传递多样的信息. 基于叠加机制的交互框架有助于解决灯光环境显示设计中的“何时”和“怎样”的问题. 关于“何时”的问题，基于交互框架，能结合用户的行为和距离，关联用户的期待，合理分布传递的信息. 即，解决何时传递多样信息的问题. 关于“怎样”的问题，交互框架的叠加机制能包容多种“变化”元素和方式，如：增加数据源、增加输出通道、改变数据匹配，从而能清晰、有效地传递多维度信息，提高信息容量. 即，解决如何传递多样信息的问题. 此外，基于灯光属性的信息编码和变化的有效设计则依赖于交互框架中通知级别的合理匹配.

在将来的工作中，研究将探索如何进一步提高信息容量，并在此过程中研究用户在不同的距离交互区域，对多种变化的承受力. 另外，对于用特殊输出通道来传递细节信息的有效性，即通过比较上下两个部分灯光的饱和度的方式来表现具体时间，将在今后的研究中进行有针对性的深入探索和验证.

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(责任编辑：李兵)

Research on Multi-Dimension Information Transfer for Ambient Display with Light

MA Hua

(Department of Digital Innovation，Suzhou Art and Design Technology Institute， Suzhou，Jiangshu 215104，China)

Light is an appropriate medium for ambient display， which can provide people novel and aesthetical experience and convey ambient information. But since the abstract characteristic of information decoration in light， to convey diverse and specific detailed information and to increase information capacities in ambient displays become the challenges for designer. In this paper， based on the theories of proxemics interaction， the user’s behavior to understand their wishes was analyzed， an interaction design framework was explored for ambient display， multiple dimensions and detailed information transfer. Results show that， based on the framework， the information capacity with light can be increased for ambient display with overlay mechanism， with appropriate transitions and keeping balance between unobtrusiveness and effectiveness.

ambient display; proxemics interaction; interaction framework; information capacity; transitions; light

2015-11-18

江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修项目

马华(1977—)，女，硕士，副教授，E-mail:feixin7712@126.com.

TP 37

A

1001-0645(2016)10-1065-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.10.015