基于互动投影技术儿童科普装置设计实践

何荫婕

引言

互动投影是一种投影画面显示技术，应用现代遥感科学和多媒体处理应用技术。互动投影的目的是通过触摸互动墙的不同位置，投影仪在互动墙上显示不同的动画场景，是一种新的体验，也是人机交互的一种线下娱乐形式，在科普装置中互动投影技术与艺术相结合，能够提高科学内容的趣味性，增强视觉效果，吸引儿童的注意力、增强儿童的学习兴趣。徐戈提到艺术发展是与科学技术创新共同前进的，在当前科学技术高速发展的背景下，艺术创作能够借助高科技产物获得多种表现形式。在过去的几十年中，互动装置受到了各界广泛的关注和重视。互动艺术特点较为鲜明，在不断发展中逐渐将前沿科学技术应用其中，为装置艺术设计注入新的生命力。罗立宏Flash设计的兰花摇曳，鸟语花香，蝴蝶飞舞交互动画运用到互动投影中，设计出基于互动投影中国风的交互效果，为传统文化国画艺术带来新的参考。周天旭将中国历史教育图册结合互动投影形式，解决历史百科书籍存在内容形式单一、难以激发儿童学习兴趣等局限性。互动投影技术推动着艺术与教育领域的发展。基于目前市场上互动投影技术应用现状，文中对互动投影技术原理和应用进行梳理，并利用Cinema 4D与Adobe After Effects软件梱结合，设计出新能源社区互动墙儿童科普艺术装置。

一、互动投影技术原理及应用

在制作科普装置之前，首先要了解互动投影系统的原理，为互动墙科普装置设计实现提供制作思路。

（一）互动投影系统

1.信号采集部分，根据交互要求进行捕获和拍摄，捕捉设备有红外感应器、触控雷达等。

2.信号处理部分，把实时采集的数据进行分析，所产生的数据与虚拟场景系统对接。

3.成像部分，使用投影仪或其他显影装置将图像呈现在特定位置，并且显影装置不仅是投影仪，液晶显示器、LED屏幕等都可以作为互动影像的载体。

4.辅助设备，如传输线路，安装构件，音响装置等。

（二）互动投影技术的应用形式

1.AR体感大屏：AR体感大屏一般设有红外感应摄像头或kinect，在2米左右的有效感应区内，可对体验者进行识別。用户以简单的手势和肢体动作进行交互，此应用最大的亮点是结合体感与AR识別技术，让用户有沉浸式体验。“cosplay人物”游戏，“体感換衣”在广告和游戏领域里较为常见。

2.沉浸式互动投影空间：互动投影空间是在投影基础上实现一种成熟的高度沉浸式虚拟现实系统，一般采用四个投影面构成空间环境，墙面采用背投方式，地面采用前投式，结合高分辨率立体投影技术，三维计算机图形技术和声音技术。将体验者置于完全沉浸式的虚拟环境中。东京teamLab团队可谓是行业领军者，《花与人的森林：迷失、沉浸与重生》曾风靡全国，在各大社交平台被刷屏。

3.墙面投影：墙面互动投影有多种方式进行，一般可采用石墨导电墙.通过石墨导电形成视觉效果。但是需要用电量较大.采用更加稳定，操控性强的雷达触控技术，并结合影像分析系统，雷达技术下的交互内容可以更加丰富，该技术在参与者和屏幕之间创建了紧密集成的交互，广泛用于游戏和科学领域。

4.互动桌面：桌面交互式投影用最先进的计算机视觉技术取代了传统的文本和图像显示方法。人们不仅可以看到高质量的投影图像，而且还可以用手指触摸他们感兴趣的内容或相关信息。采用精确的触控识別技术，具有流畅的触控手感，轻松实现多点操作，使人机交互更自然的表达。最早是在Youtube《Le Petit Chef》秀.3D版迷你厨师在盘子上制作美食。

文章中的艺术装置采用雷达感应式的墙面互动投影的形式。互动投影墙是互动多媒体中颇具代表性的实例，趣味性高，展示性强、叙事性好等特点颇受好评。雷达感应操控性更强，交互的内容也更加丰富，通过提前编译好完整的程序存入存储器中，雷达对人与墙面的触碰点进行捕捉，投影出不同的动画效果。目前市场上感应技术已经非常成熟，最缺的就是3D视觉效果的应用，此装置采用Cinema 4D与Adobe After Effects软件相结合的互动墙科普装置设计实践。

二、互动投影儿童科普装置制作

互动投影技术将多种能源应用在交互场景中显示出来，为儿童创造理解和认识的空间，使儿童对新能源知识有更深刻的认识，拥有一种新的学习体验。制作一个三维立体艺术风格与动画相结合的科普装置，Clnema 4D創建的三维社区楼房建筑模型，具有较强渲染效果和视觉体验。Adobe After Effects设计的卡通扁平化人物动画，更好地对科普内容进行介绍，选定太阳能、地热能作为科普对象。通过构思一个新能源社区，新能源转化为电能供整个社区人们生活。

（一）方案策划

在制作之前提出详细方案，选择互动墙展示制作新能源社区科普装置，装置的内容部分选择夏季和冬季两个季节，在夏季的时候，点击墙面上太阳形状图像，社区的人们会产生一系列生活活动，（如图1）是设计思路及动画流程。点击“小太阳”后，会看到一个人从超市里买完东西去电影院，再通过楼间花园，最后回卧室睡觉整个动画过程。这种设计方式，让孩子通过动画的形式了解太阳能作为能源为社区供电的方式，也可以触摸房屋其他的位置，产生不同的动画场景。

在冬季的时候，触摸社区下方地热能图像位置，可以看到卧室中的人因房间供暖从瑟瑟发抖变得大汗淋漓的动画场景。触摸“社区招牌”可看见社区的广告牌灯光闪动（如图2），通过冬季和夏季的视觉的动画对比，让孩子们体会到地热能、太阳能在不同季节转化电能供社区人们生活。同时，体验者也可触控其他位置图像，产生不同的动画效果。

（二）Cinema 4D构建三维社区

Cinema 4D由德国Maxon Computer开发，以高计算速度和强大的渲染插件而闻名。Cinema 4D并不算得上是艺术家创作的主流工具，但是在学习的过程中，发现对建立复杂模型、有趣形状具有一定优势。对新能源社区楼房的设计提供了软件支持。

社区外部框架采用Clnema 4D软件进行制作，3D视觉逐渐成为艺术领域的主流形式，市面上的互动投影大多运用扁平艺术效果，或者手绘风的平面视觉效果，社区楼房建筑采用Clnema 4D设计方式可以增强立体的艺术表现形式，具有一定的趣味性、奇異性。鲜明的色彩更容易激发儿童的兴趣，尤其是纯度较高、明度较亮的色彩。同时，结合饱满的画面和立体元素的运用，如果仔细观看还能发现整个楼房建筑没有太多的棱角，效果更加柔和，（如图3）是社区楼房渲染图。

社区楼房Clnema 4D制作主要分为卡通模型+材质渲染+灯光参数调节三部分。建模中采用“立方体”模型为主体部分，用“样条线”、“挤压”出来的物体结合“倒角”最后进行“圆角封顶”制作出卡通模型。同时，材质渲染是三维建模中重要部分，不同材质会体现不同的视觉风格。互动墙采用Octane Render渲染器中多种材质混合，大量运用“漫反射材质”，使画面感更加柔和。灯光部分运用“区域光”、“聚光灯”相结合，将“区域光”放置主体部分，“聚光灯”放置建筑顶部，多次调试颜色、强度、类型、投影、衰减等参数，最后将摄像机调节到合适的角度渲染出卡通的视觉效果图像。（如图4）是部分渲染效果图。

（三）Adobe After Effects动画设计

近几年扁平化设计作品颇受大家喜爱，扁平化设计与拟物化设计形成了鲜明对比，扁平化设计摒弃高光、阴影等能造成透视感的效果，通过抽象、简化、符号化的设计元素表达。Adobe After Effect制作软件对于动画设计师而言是首选。

制作动画之前会在lllustrator软件中对人物、场景素材进行设计将绘制好的AI文件导入到AE中，制作各部分的动效，人物动作是动画中的关键帧，每个动画在时间轴中长度控制在10s，1s内有25帧。不断调节“锚点”杠杆制作不同动作。短的视频动画在较短时间内通过触摸自动切換，体验效果更好。做好全部动画，导出带有“透明通道”的MOV格式动画放置在存储器中，（如图5）是视频动画截图。

最后对科普装置进行测试，提前将尺寸为5500x3093px社区楼房渲染图贴到墙面上，雷达安装至渲染图的上方，实验调节雷达感应测试者坐标，之后对投影仪对位调节动画位置和大小。用触控雷达数据调取动画视频投影在社区建筑的房屋内，就可看到新能源社区中不同人物动画场景。（如图6）是测试的效果图。

结论

互动投影是一种新颖的多媒体技术，通过互动投影技术，同时结合数据源和声音的优化组合，将一面平平无奇的科普墙板变得更有趣味陸，发挥儿童的主观能动性，积极参与其中，切身感受作品中的勃勃生机和活力“互动投影技术快速发展的今天”，未来在游戏娱乐、展览等方面将发挥重要的作用，随着技术的不断创新，将有更多的互动投影技术与VR/AR和其他他科普设备相结合，增强人们的互动体验。