開源平臺在互動裝置設計中的應用研究

徐聰 謝文婷

摘 要：以案例分析法歸納物聯(lián)網(wǎng)時代下公共互動裝置藝術的現(xiàn)狀，并通過對公共空間互動裝置藝術設計流程中原型設計的重要性的論述提出Arduino硬件開源平臺。深入分析Arduino硬件開源平臺應用于互動裝置設計中的優(yōu)勢，為城市公共互動裝置的創(chuàng)新實踐提高更多的可能性。

關鍵詞：Arduino；公共空間；互動裝置；原型設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.209

公共藝術主要是指存在在公共空間中，通過豐富多樣的藝術表現(xiàn)方式促使社會公眾與城市在生理、情感以及精神層面上產(chǎn)生互動，并在情感與行為的互動中展示城市形象與文化。傳統(tǒng)的公共藝術從其存在的物理形態(tài)角度可分為靜態(tài)為主的公共藝術：雕塑、壁畫、園林景觀，動態(tài)為主的公共藝術：噴泉、燈光秀、街頭行為表演等。而隨著社會從工業(yè)社會進入信息社會，數(shù)字制造技術、互聯(lián)網(wǎng)技術和再生性能源技術等科學技術的發(fā)展對傳統(tǒng)公共藝術產(chǎn)生巨大影響，公共藝術受到的技術局限越來越小，其形式更加多樣化、材質運用更加豐富，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、虛擬現(xiàn)實等技術的加入促使“互聯(lián)網(wǎng)+公共藝術模式”的互動裝置藝術應運而生?；有詮?、體驗性好、參與性高的互動裝置藝術打破傳統(tǒng)“以靜態(tài)觀賞”為主的模式，沉浸式的五感體驗交互與行為互動促使公眾高度的積極性“參與”其中，更好的達成宣傳與聚集人氣等目的。在設計過程中設計師與工程師的分工界限逐漸模糊，而對于設計師而言，藝術與技術融合對他們提出的新的挑戰(zhàn)，而且在設計流程中的靜態(tài)原型已不能滿足互動裝置藝術地設計測試需求。遂本文將Arduino開源平臺引入到互動裝置藝術設計流程中，開展針對互動裝置藝術原型設計實現(xiàn)的方法研究。

1 公共互動裝置藝術概念定義與設計流程分析

1.1 公共互動裝置藝術定義

公共互動裝置藝術（Interactive Public Art Installations）是指在城市公共空間中存在的一種利用高新技術手段完成的可供人們與之實時交互的藝術表現(xiàn)形式，是數(shù)字化城市的產(chǎn)物。美國麻省理工學院教授凱文·林奇（Kevin Lynch）在《城 市意象》中指出 ：“在城市場景中人們不僅僅是簡單的觀察者，與其他的參與者一起，人們也成為場景的組成部分?！盵1]公共互動裝置藝術的出現(xiàn)旨在通過參與式的體驗使人與人、人與裝置、人與空間產(chǎn)生互動交流，從而吸引人們駐足討論，提升公共環(huán)境的人氣，增強宣傳效果，引發(fā)人們對有些作品的思考。

1.2 公共互動裝置藝術案例分析

藝術家、設計師、科學家、工程師組合起來的跨領域創(chuàng)作團隊在最近幾年世界各大著名藝術展會和城市公共環(huán)境中呈現(xiàn)了不少基于智能互動形式的藝術設計作品。2016年由加拿大Ekumen團隊所設計所設計的大型互動式燈光藝術裝置“光環(huán)”出現(xiàn)在被世界最知名的冬日慶典之一的加拿大特婁燈光節(jié)（Montreal En Lumière）戶外公共展區(qū)內(nèi)（如圖1）。2米寬的光環(huán)內(nèi)置入24格不同故事的黑白底片，當用戶進入光環(huán)拉動內(nèi)置拉桿時便可喚醒光環(huán)開始運轉，音樂開始播放，燈光開始不斷變換，環(huán)狀壁面的黑白故事也在不斷運轉播送，它們變換的快慢取決于用戶拉桿拉動的速度。設計師將西洋鏡、音樂盒與鐵道列車的元素融入到“光環(huán)”設計中，通過視覺、聽覺為人們帶來愉悅的互動體驗。

荷蘭羅斯加德工作室創(chuàng)始人丹·羅斯加德（Daan Roosegaarde）是一名擁有藝術碩士和建筑學博士學位的跨學科藝術家，他善于運用高科技手段實現(xiàn)作品和參觀者的互動，將眾多結合現(xiàn)代科技的城市景觀裝置帶動大眾身邊?！渡徎ā肥怯稍S多智能的鋁合金箔片組合而成的互動裝置，它隨著人們的移動與周圍溫度的變化而自發(fā)的收折或打開（如圖2）。丹·羅斯加德運用智能薄片、傳感器等多種綜合技術，通過對用戶行為的捕捉展現(xiàn)形態(tài)的不同變化，給人們帶來人與空間相融合的光與影的互動形態(tài)變化。

1.3 公共互動裝置藝術設計流程分析

一個成功的創(chuàng)新不但需要具備巧妙的創(chuàng)意，而且還需制定周密、詳盡且不乏彈性的計劃，并付諸實踐，持之以恒地執(zhí)行。[2]公共互動裝置是科學技術與設計藝術的結合體，其作品中互動技術的加入使用戶在參與中得到沉浸式的感官與情感體驗。公共互動裝置在設計過程中“以人為本”的根本導向符合產(chǎn)品設計的核心思想，因此其設計流程按照產(chǎn)品設計流程基本框架進行。而關于產(chǎn)品設計流程國際上很多著名專家和學者做過詳細的描述和解釋。1984年，德國Pahl和Beitz教授以系統(tǒng)化理論為基礎將產(chǎn)品設計流程分為任務明確、概念設計、設計進化以及詳細設計四個階段，其倡導設計工作應具備條理性，并認為產(chǎn)品設計的重點是需求分解和方案評估。[3]1995年，Roozenburg 和Eekels站在項目的全局角度聯(lián)合創(chuàng)新設計流程模型，將產(chǎn)品設計劃分為產(chǎn)品規(guī)劃（制定目標和策略、產(chǎn)品創(chuàng)意選擇）、嚴謹開發(fā)（產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品測試、產(chǎn)品營銷計劃）與產(chǎn)品實現(xiàn)（產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售）三個主要步驟，他們認為不應將設計從一個完整項目獨立出來單獨思考其流程。他們將嚴謹開發(fā)視為最核心的步驟，從前期計劃中將需求進行功能點轉化得出產(chǎn)品開發(fā)的方向，將最具前景的方案轉化成周密的產(chǎn)品設計，并以草模的形式進行原型測試，通過測試驗證產(chǎn)品造型、功能、材質、配色設計的合理性，此步驟保證后期大批量生產(chǎn)的有序進行，也在一定程度上降低了產(chǎn)品失敗的風險。他們強調(diào)在原型測試中對新產(chǎn)品的各個因素（功能、外觀、使用行為、制作、成本、使用環(huán)境等）進行慎重考慮，并不斷完善產(chǎn)品。

原型設計作為整個產(chǎn)品開發(fā)流程中至關重要的部分受到越來越多企業(yè)的重視，是紙面方案與批量生產(chǎn)之間的重要環(huán)節(jié)，將抽象的方案具體化有利于設計人員對產(chǎn)品進行更加客觀的評價和測試。

在以批量生產(chǎn)為代表的硬件類產(chǎn)品設計中，原型設計需要工程師、CMF設計師、結構設計師等專業(yè)人員協(xié)同完成；在交互類虛擬軟件產(chǎn)品設計中，原型設計可借助Axure、高保真圖等簡單易學的工具完成，這一過程設計師便可獨立完成。而基于人交互行為的公共互動裝置對原型設計提出更高的要求，它不再僅僅對材質、色彩、外觀等要素進行評估，而需要通過可交互的原型進行行為測試評估、交流溝通、設計思考和方案管理。因此，交互技術的加入成為公共互動裝置原型設計的必備要素，而交互相關的技術知識也成為設計師必備的知識儲備。但java、c++等面向嵌入式的硬件編程門檻較高，對于大部分以藝術學為學科背景沒有理工科基礎的設計師而言難度太大，而為傳授互動設計而誕生的Arduino開源平臺成為非專業(yè)人士的首選。

2 Arduino應用與城市公共互動裝置藝術原型設計中的可行性

Arduino由歐洲開發(fā)團隊于2005年研發(fā)而成，由硬件（各種型號的Arduino Board）和軟件（Arduino IDE）組成，主要以AVR單片機為核心控制器的單片機應用開發(fā)板，是一款專門針對創(chuàng)客、設計師、電子愛好者的可開源電子硬件設計平臺。Arduino是一個開放源代碼的單芯片微電腦，它使用了Atmel AVR單片機，構建于開放源代碼，其編程語言是建立在C/C++語言基礎上的。[4]它作為一個使用便捷源代碼的微型控制器旨在為非專業(yè)人士傳授互動技術，以用戶獨立完成互動類產(chǎn)品原型設計為目標，鼓勵全世界的人去做他們認為最酷的事情。其開放性、易用性、交流性及豐富的第三方資源激起了全球范圍內(nèi)的創(chuàng)客風潮，是21世紀創(chuàng)客運動興起的標志性事件。

（1）門檻低。樹莓派（Raspberry Pi）、英特爾和Arduino是目前嵌入式計算與開源硬件（OSHW）領域中用戶量與口碑排名前三的產(chǎn)品。樹莓派與英特爾在運行速度、性能等方面優(yōu)于Arduino，但相比樹莓派與英特爾而言，Arduino其接口的標準化使得使用流程標準化，而且模塊化的電子元件讓硬件的入門門檻被大幅度降低。同時，隨著Webduino、haohaodada、KenRobot等圖形化編程軟件的出現(xiàn)Arduino平臺的軟件編程變得越來越簡單，而且擁有大量可被修改編輯的開源協(xié)議范圍內(nèi)的原始代碼，編程這一最大技術壁壘對于非專業(yè)人士的影響也越來越小。因此，對于創(chuàng)客、設計師等非專業(yè)人士來說，學習成本較低的Arduino更適合運用在原型設計當中。

（2）功能較完整。Arduino其軟件IDE界面基于開放源代碼，網(wǎng)絡上有眾多程序開發(fā)代碼免費下載使用，也可依據(jù)個人需求對代碼進行修改。其硬件方面Arduino可獨立運行與軟件進行交互，同時目前市面中擁有大量電子元件可供用戶選擇，例如開關、舵機、各類傳感器、馬達等各類輸出裝置與控制器件，用戶可通過“加法”的形式進行模塊化組合，得出無限的可能。面向電子愛好者的開源電子硬件平臺Arduino由于其可組裝的功能模塊和豐富文件庫能夠基本滿足設計師在制作可交互裝置原型的需求。同時，隨著Arduino功能不斷完善，國內(nèi)小米yeelight、無人機的大疆、Pebble 智能手表等都是使用Arduino作為平臺基礎研發(fā)完成。

Arduino其研發(fā)的目的是為實現(xiàn)非專業(yè)人士的創(chuàng)意、設想而創(chuàng)造的一款可自主設計的智能控制器。但這里所指的創(chuàng)意與設計師、科學家所完成專業(yè)級產(chǎn)品有所區(qū)別。在城市公共互動類設施產(chǎn)品設計流程中，學習門檻低的Arduino主要幫助設計師完成產(chǎn)品在量產(chǎn)與產(chǎn)品實體模型化之前的功能與體驗的可用性測試，驗證產(chǎn)品的行為邏輯合理性以及評估產(chǎn)品可用性。同時，Arduino模塊化的特點可以讓用戶在進行原型設計的過程中嘗試不同的組合方式，有利于創(chuàng)造新的可能。

3 結論

互聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術不斷發(fā)展與成熟的趨勢下，公共空間藝術不斷智能化、互動化、趣味化已成為未來幾年的必然發(fā)展方向。公共空間互動裝置作為藝術與技術的結合產(chǎn)物，其原型設計在整個設計流程中顯得尤為重要。而如何更接近構想的互動行為呈現(xiàn)出來是設計師應該考慮的問題?；贏rduino開源硬件的技術途徑可以幫助設計師更好的完成其最終作品，同時在原型調(diào)試過程中迸發(fā)出新的創(chuàng)意靈感，在設計質量得到保證的同時大大提升效率。將Arduino開源平臺引入公共互動裝置的設計過程中不僅打破傳統(tǒng)公共空間藝術只供觀賞的價值體現(xiàn)，形成一種全新的公共空間藝術，而且?guī)椭O計師通過作品更多的考慮人、裝置、周圍環(huán)境乃至社會的交流互動。

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基金項目：教育部人文社科西部和邊疆地區(qū)項目（15XJC760004）；重慶市教育委員會人文社會科學研究項目（16SKGH052）；重慶郵電大學社會科學基金重點項目（2017KZD04）；重慶市教委科學技術研究項目（KJ120512）。