基于互動投影技術兒童科普裝置設計實踐

何蔭婕

引言

互動投影是一種投影畫面顯示技術，應用現代遙感科學和多媒體處理應用技術。互動投影的目的是通過觸摸互動墻的不同位置，投影儀在互動墻上顯示不同的動畫場景，是一種新的體驗，也是人機交互的一種線下娛樂形式，在科普裝置中互動投影技術與藝術相結合，能夠提高科學內容的趣味性，增強視覺效果，吸引兒童的注意力、增強兒童的學習興趣。徐戈提到藝術發展是與科學技術創新共同前進的，在當前科學技術高速發展的背景下，藝術創作能夠借助高科技產物獲得多種表現形式。在過去的幾十年中，互動裝置受到了各界廣泛的關注和重視。互動藝術特點較為鮮明，在不斷發展中逐漸將前沿科學技術應用其中，為裝置藝術設計注入新的生命力。羅立宏Flash設計的蘭花搖曳，鳥語花香，蝴蝶飛舞交互動畫運用到互動投影中，設計出基于互動投影中國風的交互效果，為傳統文化國畫藝術帶來新的參考。周天旭將中國歷史教育圖冊結合互動投影形式，解決歷史百科書籍存在內容形式單一、難以激發兒童學習興趣等局限性。互動投影技術推動著藝術與教育領域的發展。基于目前市場上互動投影技術應用現狀，文中對互動投影技術原理和應用進行梳理，并利用Cinema 4D與Adobe After Effects軟件梱結合，設計出新能源社區互動墻兒童科普藝術裝置。

一、互動投影技術原理及應用

在制作科普裝置之前，首先要了解互動投影系統的原理，為互動墻科普裝置設計實現提供制作思路。

（一）互動投影系統

1.信號采集部分，根據交互要求進行捕獲和拍攝，捕捉設備有紅外感應器、觸控雷達等。

2.信號處理部分，把實時采集的數據進行分析，所產生的數據與虛擬場景系統對接。

3.成像部分，使用投影儀或其他顯影裝置將圖像呈現在特定位置，并且顯影裝置不僅是投影儀，液晶顯示器、LED屏幕等都可以作為互動影像的載體。

4.輔助設備，如傳輸線路，安裝構件，音響裝置等。

（二）互動投影技術的應用形式

1.AR體感大屏：AR體感大屏一般設有紅外感應攝像頭或kinect，在2米左右的有效感應區內，可對體驗者進行識別。用戶以簡單的手勢和肢體動作進行交互，此應用最大的亮點是結合體感與AR識別技術，讓用戶有沉浸式體驗。“cosplay人物”游戲，“體感換衣”在廣告和游戲領域里較為常見。

2.沉浸式互動投影空間：互動投影空間是在投影基礎上實現一種成熟的高度沉浸式虛擬現實系統，一般采用四個投影面構成空間環境，墻面采用背投方式，地面采用前投式，結合高分辨率立體投影技術，三維計算機圖形技術和聲音技術。將體驗者置于完全沉浸式的虛擬環境中。東京teamLab團隊可謂是行業領軍者，《花與人的森林：迷失、沉浸與重生》曾風靡全國，在各大社交平臺被刷屏。

3.墻面投影：墻面互動投影有多種方式進行，一般可采用石墨導電墻.通過石墨導電形成視覺效果。但是需要用電量較大.采用更加穩定，操控性強的雷達觸控技術，并結合影像分析系統，雷達技術下的交互內容可以更加豐富，該技術在參與者和屏幕之間創建了緊密集成的交互，廣泛用于游戲和科學領域。

4.互動桌面：桌面交互式投影用最先進的計算機視覺技術取代了傳統的文本和圖像顯示方法。人們不僅可以看到高質量的投影圖像，而且還可以用手指觸摸他們感興趣的內容或相關信息。采用精確的觸控識別技術，具有流暢的觸控手感，輕松實現多點操作，使人機交互更自然的表達。最早是在Youtube《Le Petit Chef》秀.3D版迷你廚師在盤子上制作美食。

文章中的藝術裝置采用雷達感應式的墻面互動投影的形式。互動投影墻是互動多媒體中頗具代表性的實例，趣味性高，展示性強、敘事性好等特點頗受好評。雷達感應操控性更強，交互的內容也更加豐富，通過提前編譯好完整的程序存入存儲器中，雷達對人與墻面的觸碰點進行捕捉，投影出不同的動畫效果。目前市場上感應技術已經非常成熟，最缺的就是3D視覺效果的應用，此裝置采用Cinema 4D與Adobe After Effects軟件相結合的互動墻科普裝置設計實踐。

二、互動投影兒童科普裝置制作

互動投影技術將多種能源應用在交互場景中顯示出來，為兒童創造理解和認識的空間，使兒童對新能源知識有更深刻的認識，擁有一種新的學習體驗。制作一個三維立體藝術風格與動畫相結合的科普裝置，Clnema 4D創建的三維社區樓房建筑模型，具有較強渲染效果和視覺體驗。Adobe After Effects設計的卡通扁平化人物動畫，更好地對科普內容進行介紹，選定太陽能、地熱能作為科普對象。通過構思一個新能源社區，新能源轉化為電能供整個社區人們生活。

（一）方案策劃

在制作之前提出詳細方案，選擇互動墻展示制作新能源社區科普裝置，裝置的內容部分選擇夏季和冬季兩個季節，在夏季的時候，點擊墻面上太陽形狀圖像，社區的人們會產生一系列生活活動，（如圖1）是設計思路及動畫流程。點擊“小太陽”后，會看到一個人從超市里買完東西去電影院，再通過樓間花園，最后回臥室睡覺整個動畫過程。這種設計方式，讓孩子通過動畫的形式了解太陽能作為能源為社區供電的方式，也可以觸摸房屋其他的位置，產生不同的動畫場景。

在冬季的時候，觸摸社區下方地熱能圖像位置，可以看到臥室中的人因房間供暖從瑟瑟發抖變得大汗淋漓的動畫場景。觸摸“社區招牌”可看見社區的廣告牌燈光閃動（如圖2），通過冬季和夏季的視覺的動畫對比，讓孩子們體會到地熱能、太陽能在不同季節轉化電能供社區人們生活。同時，體驗者也可觸控其他位置圖像，產生不同的動畫效果。

（二）Cinema 4D構建三維社區

Cinema 4D由德國Maxon Computer開發，以高計算速度和強大的渲染插件而聞名。Cinema 4D并不算得上是藝術家創作的主流工具，但是在學習的過程中，發現對建立復雜模型、有趣形狀具有一定優勢。對新能源社區樓房的設計提供了軟件支持。

社區外部框架采用Clnema 4D軟件進行制作，3D視覺逐漸成為藝術領域的主流形式，市面上的互動投影大多運用扁平藝術效果，或者手繪風的平面視覺效果，社區樓房建筑采用Clnema 4D設計方式可以增強立體的藝術表現形式，具有一定的趣味性、奇異性。鮮明的色彩更容易激發兒童的興趣，尤其是純度較高、明度較亮的色彩。同時，結合飽滿的畫面和立體元素的運用，如果仔細觀看還能發現整個樓房建筑沒有太多的棱角，效果更加柔和，（如圖3）是社區樓房渲染圖。

社區樓房Clnema 4D制作主要分為卡通模型+材質渲染+燈光參數調節三部分。建模中采用“立方體”模型為主體部分，用“樣條線”、“擠壓”出來的物體結合“倒角”最后進行“圓角封頂”制作出卡通模型。同時，材質渲染是三維建模中重要部分，不同材質會體現不同的視覺風格。互動墻采用Octane Render渲染器中多種材質混合，大量運用“漫反射材質”，使畫面感更加柔和。燈光部分運用“區域光”、“聚光燈”相結合，將“區域光”放置主體部分，“聚光燈”放置建筑頂部，多次調試顏色、強度、類型、投影、衰減等參數，最后將攝像機調節到合適的角度渲染出卡通的視覺效果圖像。（如圖4）是部分渲染效果圖。

（三）Adobe After Effects動畫設計

近幾年扁平化設計作品頗受大家喜愛，扁平化設計與擬物化設計形成了鮮明對比，扁平化設計摒棄高光、陰影等能造成透視感的效果，通過抽象、簡化、符號化的設計元素表達。Adobe After Effect制作軟件對于動畫設計師而言是首選。

制作動畫之前會在lllustrator軟件中對人物、場景素材進行設計將繪制好的AI文件導入到AE中，制作各部分的動效，人物動作是動畫中的關鍵幀，每個動畫在時間軸中長度控制在10s，1s內有25幀。不斷調節“錨點”杠桿制作不同動作。短的視頻動畫在較短時間內通過觸摸自動切換，體驗效果更好。做好全部動畫，導出帶有“透明通道”的MOV格式動畫放置在存儲器中，（如圖5）是視頻動畫截圖。

最后對科普裝置進行測試，提前將尺寸為5500x3093px社區樓房渲染圖貼到墻面上，雷達安裝至渲染圖的上方，實驗調節雷達感應測試者坐標，之后對投影儀對位調節動畫位置和大小。用觸控雷達數據調取動畫視頻投影在社區建筑的房屋內，就可看到新能源社區中不同人物動畫場景。（如圖6）是測試的效果圖。

結論

互動投影是一種新穎的多媒體技術，通過互動投影技術，同時結合數據源和聲音的優化組合，將一面平平無奇的科普墻板變得更有趣味陸，發揮兒童的主觀能動性，積極參與其中，切身感受作品中的勃勃生機和活力“互動投影技術快速發展的今天”，未來在游戲娛樂、展覽等方面將發揮重要的作用，隨著技術的不斷創新，將有更多的互動投影技術與VR/AR和其他他科普設備相結合，增強人們的互動體驗。