基于生态设计的建筑表皮投影研究

占镒瑕 傅凯莉 顾艺

关键词：生态设计 建筑表皮 互动投影 数字艺术 城市公共环境

引言

在数字化时代的背景之下，数字技术的发展对当代艺术和文化产生了不可避免的影响。计算机技术可以被认为是艺术家表达创意的补充工具。同时，伴随着视听表演与交互行为，建筑表皮开始呈现出媒介化、信息化的特点。然而，我们必须看到，在建筑表皮互动投影技术发展的同时，与之相关的资源浪费也在同步增加。当前，国内许多的建筑投影项目更像是灯光秀，只把建筑当作是一块巨大的幕布，并没有融合建筑的结构特点和文化背景，更没有考虑其生态平衡。而基于生态学思考的设计能够促进自然世界和文化世界相互融合，有望创造一种适合所有生物长期共存的设计形式。

文章通过分析了当前建筑表皮互动投影的案例，探索其背后的技术原理及创作手法，融合生态设计原理，结合目前建筑表皮互动投影的设计动态，提出生态、共识、互动的设计原则，从而为建筑互动投影的创作提供启示。

一、研究现状

（一）建筑表皮及互动投影研究现状

建筑表皮的概念第一次出现是在 Leatherbarrow 和 Mostafavi的Surface Architecture[1]这本书中，书中提到当代建筑设计已经“由功能走向了表皮”。作者指出，建筑表皮不能够被简单地理解为一种建筑外部空间展现的构成方式，而是一种可以传达精神力量的载体；对于表皮的研究不应该限于视觉的美感，更多的应该注重其材料与功能，强调人与自然的和谐共生；它不但是建筑形成的条件，更是人与建筑情感对话的桥梁。目前我们对建筑构成形式的考虑已经达到可持续建筑的高度，即把建筑视为生态系统中不可忽略的主要构成。以此观点来重新审视建筑表皮的呈现形式，需要对其进行系统的梳理，进而揭示表皮背后的生态与人文意义。

当前建筑表皮呈现出媒介化、信息化的特征，其中一种重要的媒介形式是建筑互动投影。这是一种崭新的新媒体艺术形式，完美地诠释了艺术理念和技术手段的相互补充、相互融合，体现了科学精神和人文精神的高度统一，成为信息技术时代发展的必然趋势[2]。从投影的发展进程来看，第一个将画面投影到3D物体上的实践是1969年迪士尼乐园的“鬼屋之旅”项目，由16毫米的胶片投射到一个空白的头部物体，通过光学错觉让其看起来像是一个真正的人物面目表情。之后，许多艺术家开始在艺术品中使用投影，并应用于越来越复杂的表面。1998年激光扫描仪问世，这项技术最初被用于建筑的修复和翻新。而近年来，由于建筑投影形式新颖、效果震撼，能够体现城市的精神文化内涵，因此受到了一大批优秀国内外艺术家的青睐，激光扫描仪在他们的艺术探索中开始被大量应用于建筑表皮数据的采集。经过几年的探索与实践，相关技术手段虽比较成熟，但其呈现的形式及资源浪费问题受到人们的质疑。

（二）生态设计相关研究

通常而言，“设计”是一种有意识的行为，是一个把设想通过合理的规划传达出来的过程。设计可以被认为是自然与文化的纽带，即让现实世界与人类所设计的世界更好融合的手段。另一方面，“生態”则是生物生存和发展的状态。出于对生态问题的关注，设计界出现了“生态设计”思潮。在Ecological Design[3]这本书中，作者西蒙·范·迪·瑞恩（Sim Van der Ryn）和斯图亚特·考恩（Stuart Cown）（1996）将生态设计定义为“通过将自身与生活过程相结合，以保护环境为前提的任何形式的设计”。由此可见，生态设计意味着尽量减少环境污染，并将人类和生态系统的健康列为先决条件。

回顾文献发现，目前有关景观方面的生态设计研究包括俞孔坚[4]的景观与城市的生态设计研究与王盛勇[5]的城市湿地景观的生态设计研究，产品方面有任杰[6]的城市公共环境标识生态设计研究等。然而，有关建筑投影方面的生态设计相关研究寥寥无几，因此在国内建筑互动投影的设计实践中还没有形成一套设计准则，故本文旨在结合科学的设计思维去定义建筑互动投影的设计形式，总结出针对建筑互动投影在公共环境中应用的设计原则。

二、建筑表皮互动投影设计原则

基于上文分析，结合Leatherbarrow 和 Mostafavi对于建筑表皮功能的描述与生态设计的内涵，本文尝试定义建筑表皮互动投影的设计原则。首先，人类当前面临能源枯竭、生态环境破坏的危机局面，基于此建筑表皮互动投影也开始从“传统的设计思维”向自然生态的美学研究层面转变。其次，互动投影作为一种新的城市公共环境的组成部分，是科学精神和人文精神的相互融合过程，在此过程中需要人与自然相互扶持、鼓励，从而达到一种精神上的共识。最后，设计不应只是艺术家的个人情感表达，而应该将公共事物最大程度地与大众进行联系，强调的是人与自然的互动交流。因此，本文提出生态、共识与互动三大原则。

（一）生态原则

建筑表皮互动投影设计的生态原则包括材料与地方性两个部分。

1.材料的选择与使用。在建筑投影设计中，材料的选择、使用、维护和每个环节对环境所带来的影响都应通过仔细计算。此过程涉及到创作者对于作品的表达形式的深思熟虑，以免重复的灯光使用造成光污染和资源浪费。当前建筑表皮的互动投影实现形式上主要以实物、视频映射与光学的方式为主，材料的选择和技术的结合都直接关系到是否最小化对环境产生的污染。这就要求我们在创作的过程中有意识地将生态材料与生态理念相结合。

2.地方性的原则。该原则是指在选择建筑时要充分考虑建筑所在位置，适应建筑场所的自然发展过程，因地制宜地分析其所在环境的优劣势，包括阳光、地形、水、当地材料及能量等，从而在设计过程中结合自然因素，维护城市环境的健康。

（二）共识原则

共识原则是指将人类与自然文化通过物质与非物质的关系来互相扶持、鼓励。从而建立一种人类与自然文化、创作者与观赏者之间的共鸣。因此共识原则旨在打破一种抽象、无趣、无意义的设计表达。

1.创作者情感的投入。共识原则要求创作者将个人情感、思想、观念注入进作品，这就要求创作者要对地方的历史文化能够有深入的研究。从而建立创作者与观赏者之间的共鸣，加强大众的历史使命感。

2.结构特点及自然元素。在此基础之上结合建筑表皮固有的结构特点及自然元素，在建筑投影设计上不能将建筑当作是一块巨大的幕布，而应设计与建筑表皮结构与之对应的影像，两者相辅相成，并通过自然元素，来唤醒大众对于自然的感知。

（三）互动原则

互动原则强调每个人都应该参与设计，这不仅是人与自然的互动过程，也是人与人之间的互动。生态设计倡导的是“人人都是设计师”，因为在生态系统中每个人都不是独立的个体，每个人的决策与行为都会直接与他人相关，并影响他人的未来。研究证明，作为城市公共环境的一部分，矗立街头的建筑群往往能够影响到人们在设计对象整体风格方面的审美偏好，在潜移默化中提升人们的人文与审美素养[7]。对于观赏者来说，城市公共环境不仅要满足日常的生活、娱乐和观赏需求，还是一个审美互动的场所。在《公共性与公共艺术》这本书中，殷双喜教授强调“公共艺术谋求的不是艺术的表现，而是面对社会需要解决的问题。它不宣扬个人崇拜，个人主义，而是将公共事物最大程度地与大众进行联系，强调的是人与自然的情感交流”。由此可见，观赏者不再单纯只有观赏者的角色，创作者与观赏者之间不是教育者与被教育者之间的关系，而是平等共创公共环境的关系。因此，要在建筑投影的创作过程中重视人与物、人与人、物与物之间的互动。

三、建筑表皮互动投影系统的技术与实现

一套完整的建筑表皮互动投影系统包括建筑数据采集和数字影像内容的设计与制作，以及互动投影系统的实现。

1. 建筑数据采集。首先是基于三维激光扫描仪数据获取，其次是对收集到的点云数据进行三维建模。传统的方法是利用二维图纸或文献由技术人员手工量测后，将古建筑的各种信息绘制记录成册[8]。这种方法不但费时费力效率低，对于异形建筑的数据采集也非常困难，另外，频繁接触建筑物容易对建筑造成“伤害”。近年来，随着三维技术的发展，三维激光扫描技术（terrestrial laser scanning，TLS）、“3S”技术、AutoCAD和虚拟现实技术等相结合构建建筑表皮互动投影正在逐渐成为研究的焦点。早在20世纪60年代末，国外就开始进行TLS方面的研究。例如，研究人员利用TLS对汉堡市政大厅内两个物体进行了扫描，并利用点云数据建立模型。此方法不仅效率高，且能精确地建立一套建模模型。

2. 数字影像内容设计与制作。互动投影系统的基础软件。视频影像的制作软件主要包括3DMA X、MAYA、C4D、AE等软件，交互系统的实现主要使用的是编程C语言或者JAVA进行开发，结合Unity3D完成。

3.互动投影系统的实现。在建筑表皮互动投影中，实现过程需要不断调整来达到更好的视听体验。在进行投影的过程中，由于建筑表皮是由多个不规则的平面或曲面构成，投影仪的光线无法正好垂直于墙面，因此投影过程中会导致图像发生畸变，需要通过几何校正技术来改善。當前，大多数的矫正方法是利用摄像机等图像感知设备来模拟观察者，获取投影表面上的投影图像，并进行图像识别与分析，在控制单元中将投影仪缓存图像进行逆向变形，抵消图像畸变部分，使投影表面上的投影图像与预期图像保持一致[9]。具体来说，就是将两台投影仪交叠的部分图像，通过调整其亮度和饱和度的形式，来确保画面的一致性，在视觉上达到无缝衔接的效果。

四、建筑表皮互动投影案例分析

（一）武汉江滩元宵光影秀

武汉江滩元宵光影秀项目由武汉麦塔威科技有限公司策划，于2013年正月十五晚在武汉市汉口江滩上演。此次光影秀以“复兴大武汉，星光耀荆楚”为主题，以“江汉光”等多栋代表建筑为载体。“江汉关”大楼，位于武汉市汉口沿江大道与江汉路交汇处，占地面积1499平方米，是在现存最早的三座海关大楼之一。与以往国内的建筑表皮互动投影相比，武汉元宵光影秀不仅运用了领先的新媒体技术，而且结合了建筑结构的特征，将建筑之间的空间关系联系起来，注重人文精神的传达。同时，影像的互动与真人表演让观赏者有了更好的沉浸体验。

1.数字媒体手段。通过建筑的表皮结构设计与其相匹配的视频影像，使建筑与影像之间相互融合，赋予彼此新的生命力与可能性。在此基础上融合武汉晚清时期到现代的历史征程，将科技与自然文化相融合，塑造武汉的良好城市形象（图1）。

2.传达人文精神。通过影像结合实体表演的形式，回顾了武汉近代以来的历史文化变迁和建设发展，从古代的盘古城，到近代的辛亥革命战争，再到现代的经济、科技发展，展示其厚重的文化底蕴和璀璨的历史征程，重新塑造城市形象，唤醒大众对于城市文化的认同感。

3.视听体验。运用大功率的工程投影机将影像投射在建筑群体上，结合多媒体设备的影像与光处理功能，创立了沉浸式的视听环境，实现了文化与科技真正的融合（图2）。从生态设计原理角度分析，本次的互动投影基本符合其共识、互动的原则。但是演出过程中不可避免地对周围的居民产生了噪音干扰，一定程度上也造成了光污染。

（二）韩国光州媒体艺术节开幕式——《光州之光》

本案例是2020年韩国光州媒体艺术节建筑光雕投影作品《光州之光》，该作品使用了空间转换、时间转换以及激光光雕投影的创作手法。

1.空间转换的创作手法。《光州之光》开篇展示的是雷电的自然现象，将大众在日常生活中无法观赏到的高空天文现象拉近人们的视野，给观赏者带来强烈的视觉与审美体验（图3）。

2.时间转换的创作手法。如图4所示，画面中巨大的钟摆飞速运转，隐喻着时间的倒流，接着画面将观赏者带到了独立运动的血腥画面，又通过快速的画幅移动把画面切回到当今民众日常生活的画面，眼前的建筑表皮起到了时空机器一般的作用，在同一空间的不同景象，过去与现在的碰撞，引发人们的思考，使建筑投影不再只是带来视听的体感，更多的是心灵上的洗礼。建筑投影成了激起观赏者进一步思考的媒介化工具。

3.激光光雕投影的创作手法。通过粒子与光线组合构成透视的三维图像，以此来制造出建筑物体相对运动的视觉效果。当前这种创作手法在影院中应用较多，这种手法同样适用于建筑表皮互动投影当中。

另外，激光投影仪相对于普通投影仪来说，在亮度与边缘的清晰度上更甚一筹。极高的亮度与饱和度，突破了使用场景的限制，在制作与使用上更容易操作，制作的成本也低于传统投影仪。

（三）案例评述

随着城市现代化进程的加快，雾霾、水污染、光污染等环境恶化的问题层出不穷，国际上生态运动愈演愈烈，人们开始重新认识人与自然的关系，同样，建筑作为城市的重要组成部分，承担着城市文化形象和核心价值的表达工具，因此以生态设计为理论框架，提出能够指导建筑表皮互动投影的设计原则的设计思维成为重要的研究课题。

通过上述国内外的建筑表皮互动投影案例可以发现，首先建筑投影项目大多应用于灯光秀的表演中，欣赏者与作品之间的互动寥寥无几，观众更多沉浸于视听体验上，忽略了灯光秀与人之间的联结，暂未形成完整的生态设计理念。对于材料的选择、使用、维护环节欠缺考虑。其中材料还包含了设备的选择，韩国光州媒体艺术节开幕式选择的激光投影仪，以更低的成本做出同样的灯光秀效果是值得借鉴和参考的优秀案例。

其次，在共识原则上，强调设计要考虑作品与环境的融合度，创作者将情感转化为符合生态设计理念的作品，从而使观赏者与创作者产生共鸣。武汉江滩元宵光影秀，是以中国传统元宵节为契机，借助其特有的建筑优势，利用投影的形式讲述了武汉的城镇源起、发展历程以及晚清时期到现代都市的历史文化变迁。该作品在创作上与环境融合，充分结合建筑自身的结构与周边自然资源。没有将内容只局限在趣味与视觉体验上，观众在享受建筑投影带来的视听体验的同时，突破对传统艺术形式的认知，从过去的被动欣赏转变为主动思考，从而达到真正的人类与自然文化、创作者与观赏者的共识。体现了巨大的价值和意义。

最后，在互动原则上，生态设计强调设计的过程是一种“道”而不是只由专业人员提供的作品，强调人人参与的过程，从而让更多人参与到生态化的环境和建设中来。与传统的设计相比较，生态设计有其特有的设计特点，所以，归根结底，生态设计囊括了人们的一切日常行为中，这就要求创作者在设计时必须走入大众的生活，将大众的生活与认知融入设计之中，它不是一种全新的设计形式，而是一种传统设计的进化与发展。在韩国光州媒体艺术节开幕式——《光州之光》案例中，运用了时间转换和空间转换的创作手法，结合韩国当地对于艺术形式的认知，让大众真正沉浸其中，重拾文化的归属感。为后人建筑表皮互动投影的呈现提供了良好的参考依据。

总而言之，在建筑互动投影设计中，应将生态設计理念贯穿始终。应保留传统设计中优秀的部分并结合当下设计动态，对其进行延续而非割裂的设计。如缺乏美感只谈生态的设计也是不能被社会所接受的，只会被人们所遗忘，从而设计的价值也无从体现。因此以生态思维为核心的建筑表皮互动投影设计才能够拥有最大的价值与发展。

总结与展望

在数字媒体艺术快速发展的今天，建筑表皮投影的设计形态开始走进大众的生活。本文以建筑表皮互动投影为对象，通过文献研究和案例分析，探索建筑表皮互动投影的发展历程、呈现形式和创作手法。以生态设计原理为框架，结合当下建筑表皮互动投影的发展动态，归纳出生态、共识、互动的设计原则。

建筑投影以建筑作为载体，以文化、科技与生态的融合为核心，综合运用了多种高新技术，不仅符合新媒体艺术的创新趋势，其核心理念又顺应全球时代的发展。同时，建筑表皮与影像的相结合能够丰富建筑表皮功能，使其成为一种新的表达媒介。随着技术的发展、模式不断创新，建筑投影也将进一步发展，促进城市公共环境的健康快速发展，提升文化倡议在城市建设中的主体地位，推动城市文化更加繁荣。本文为未来的新媒体艺术设计研究与实践提供了参考。在未来，建筑投影中的交互技术还可以进一步优化，使其更符合生态设计的理念，最终让建筑表皮互动投影系统更加完善。