體感交互技術在科普展示中的應用

王珊

摘要：近年來，科普展示逐漸成為新時代科普教育的重要形式之一，以科學普及為目的的展覽也層出不求，在科學技術發展的推動下，數字化手段越來越多地運用在科普展示中。文章將體感交互技術與科普展示設計合理結合，為用戶營造互動科普體驗環境。針對體感交互的概念特點，通過文獻分析和市場調研，探究了體感交互在科普展示空間中的設計理念，提出科普展示空間中體感交互設計的應用原則并進行實際案例開發。在交互邏輯構建合理的前提下，開發以中國傳統文化為背景的《萬物有靈》體感交互裝置，為用戶提供了更直觀、簡單的交互式科普環境。為中國傳統文化的科普信息化之路提供了思考方向，也為后續交互語境下的科普展示的研究提供了有益建議。

關鍵詞：體感交互 科普展示 用戶體驗 傳統文化 交互設計

中圖分類號：TB47

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 04-0032-03

引言

進入21世紀以來，科普形式在不斷謀求新的發展，科普展示成為新的科普教育媒介平臺，它不僅在傳遞公共文化信息和商業信息發揮著重要作用[1]，也借助人工智能、大數據、云計算等技術將多種多樣的交互形式融入到科普教育當中。隨著信息化時代的到來，人機交互方式也從鍵盤鼠標等觸控式實體交互向手勢、動作、表情、運動、語音等體感交互方式轉變，用戶可以通過言語、肢體動作和臉部表情與計算機發生自然而然的交互。體感交互技術在國內教育應用研究開始于《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，掀起了教育信息化理論、技術與應用三領域的研究浪潮。文章認為，將體感交互技術合理地應用于科普展示領域將極大地提高觀展者的積極性與科普效果，營造更有趣的科普環境，但在目前的科普教育研究中，不少學者將注意力集中于對科學技術、天文地理等內容的科普，缺乏對中國傳統文化如何普及的研究，因此，如何合理利用交互技術打造優質內容，營造有趣的科普體驗環境，傳播普及優秀的中國傳統文化是目前需要解決的問題。

一、體感交互概述

（一）體感交互概念：體感交互是計算機通過捕捉用戶的動作來獲取命令，通過算法給予用戶可視化反饋的一項技術，用戶可以更加自然地與展品進行互動，自主接收有效信息。

體感交互主要分為硬件設備與軟件系統兩大部分，其中硬件設備主要包括以Kinect、Arduino、Leap motion[2]等為主的傳感器、RGB攝像頭[3]以及各類聲音、動作捕捉設備;軟件系統主要是接收處理從硬件設備傳輸的用戶信息，向用戶傳遞出連續穩定反饋的計算機程序。

（二）應用于科普展示空間的體感交互形式：如今在科普展示空間中，體感交互設計按照交互方式劃分主要分為三個類型：觸控型模式、體驗型模式和沉浸型模式。

首先，觸控型交互展示模式是利用傳感器等硬件設備對用戶動作、手勢進行識別，實現用戶與展品之間的交流。例如在科技館、博覽會或其他教育科普展示平臺中，這種交互展示模式可以令用戶自主獲取有效科普內容。其次，體驗型交互展示模式主要是利用全息影像與異面投影等手段為用戶營造現區別于實生活的體驗環境，使用戶在不借助頭戴設備的情況下也能立體地感受科普內容。最后，沉浸型交互展示模式是利用外接設備、燈光、音效以及場景搭建營造一個完整的科普空間，展示場景可跟隨用戶的動作反饋發生相應變化，使用戶參與到科普環境中，例如日本teamLab[4]設計團隊打造的脫離時間空間限制的虛擬互動場景《花舞森林》。

二、體感交互技術在科普展示空間中的設計理念

體感交互式科普展示的核心在于“交互”，在展示空間中進行交互設計需要滿足以下幾個前提：

其一是交互設計項目要為科普主體服務，不能重互動技術而忽略內容。當同一科普主體下互動形式過多時，用戶會因為體驗操作頻繁而產生倦怠情緒從而降低參與熱情。

其二是要符合用戶體驗心理需求。根據馬斯洛需求層次需求分析中所提到的觀點：當用戶某一層次的需要相對滿足了，就會追求更高一層次的需要[5]。因此在展覽中，交互設計也要注重在滿足形式上的感官刺激需求后向滿足感性層面的情感需求轉變，最大限度地利用體感交互技術將用戶融入到展覽當中。

其三是注重營造多維體驗環境，結合用戶的感受與周圍環境的關系，營造多維體驗環境。

其四是建立合理的動作邏輯，由于人和機器成功交互的根本限制在于缺乏共同立場[6]，所以在構思體感交互的動作邏輯的過程中需要避免以下兩個方面：1.與現實環境體驗過于相似。如果作品的動作邏輯過于常規化，甚至與現實生活中的體驗并無差別，那么體感交互就不能給予用戶趣味感的提升，甚至成為體驗行為本身的負擔。2.強行建立人機動作邏輯。當為了展現體感交互的新奇性，將用戶與反饋之間強行建立動作聯系將難以達到良好的科普效果，用戶的體驗過程也會感到無聊。例如體感交互作品《雨屋》（如圖1），構建了一個淋雨而不濕身的體驗環境，用來科普自然規律與環境保護等方面的知識。作品內容雖簡單，但它不僅將用戶從現實生活的體驗中帶離出來，又建立了一個十分巧妙的動作邏輯。下雨天不打傘會淋濕是每個人都明白的常識，而《雨屋》便將這一傳統想法翻轉，帶用戶進入_個下雨時不打傘也不會被淋濕的神奇世界。所有復雜的技術——例如追蹤系統和水循環等全部自然而然地退后被隱藏了，而裸露出來的只有最簡單最迷人的一點——日常認知的行為邏輯，被輕巧地顛覆了。

三、科普展示中的交互設計原則

（一）互動機制易懂：用戶在參觀過程中的停留時間是十分有限的，在有限時間內，互動項目的易學性就顯得十分重要。例如需要用戶移動手臂獲取信息，那么場景當中就需要有明顯卻又不突兀的提示來引導其進行交互體驗。

（二）交互模式簡潔：在交互體驗的過程中，用戶獲取的信息可以是十分豐富的，但從操作層面來說則越簡單越精煉越佳。用戶在觀展過程中，其目的是為了更好地獲取展覽信息，了解作品蘊藏的內涵，所以在操作層面應該做到交互方式輕松簡單、給予用戶的反饋及時。

互動二：感知真我與虛我之間的關聯和影響。

畫面以黑色背景表現厚重的空間感，粒子元素則以高明度、高純度的顏色設計呈現強烈對比。此外，同一畫面、同一時段范圍內，空間中粒子顏色利用對比色或鄰近色相搭配，使得畫面沖擊力與和諧感并存，給用戶帶來奇妙的視覺體驗。當用戶站在檢測區域內時，粒子世界中飄浮的方塊將匯聚成人形，用戶通過揮動手臂控制場景內方塊運動方向形成唯—且獨特的粒子動畫，如圖6、7。

為了使畫面視覺效果更為夢幻，為場景內的粒子添加了例如“自動發光”、“鏡反射”等特效。當系統處于“互動狀態”時，除附著在用戶身上的粒子外，空間中所有飄浮的粒子，均受到向上的作用力，粒子的運動軌跡由初始狀態，呈上升趨勢飄浮在空間中。當系統處于“展示狀態”時，空間中只有部分粒子向上飄浮，另一部分粒子則匯聚成預設的模型圖案。兩個狀態的設計不僅提高了視覺感情表達的價值，而且也使整個圖像的呈現不再停滯，顯示了空間流動的意義，營造的視覺效果更活躍有趣。

在粒子元素的設計方面，采用花、水、幾何粒子等表現形式，注重色彩與空間的動態和諧，視覺整體性強。元素還應用了多種反射效果，能夠為互動畫面增添極大的奇幻感與絢麗感，如圖8、9。

在配樂的設計方面，背景音樂選擇空靈、靜謐氣氛音樂，從聽覺上促進用戶更專注地沉浸到太極文化的藝術互動之中，促進用戶對自我、宇宙、萬物進行一定的哲學性思考。

為了營造沉浸感更強的展示情境，Kinect設備的最佳互動距離是在1.2～3.5m之間，為了讓用戶獲取最佳的互動體驗，需在檢測區內設置最佳體驗區的提示，—次典型的體驗時長大約為2到3分鐘。在環境營造方面，互動屏幕的周圍可以用作品元素為裝飾進行場景搭建，增強用戶的視覺延續性，達到最優的互動體驗。

（五）展望應用前景：目前的文化類科普交互展項缺乏帶給用戶一定深度思考的交互內容，同時也缺乏新穎、便捷的交互形式。本作品基于體感檢測技術和太極文化設計而成的體感互動裝置《萬物之靈》可以應用在各類公共場合，如作為哲理性交互項目應用于傳統文化展會，或作為商業性文化科普大屏交互項目應用于其他公共空間，既可以滿足展會及商戶吸引人群、延長關注時間等需求，還可以促進傳統文化的普及，激發用戶對道教文化、太極文化的興趣，引發一定的哲學思考，具有較好的應用前景。

結語

現階段體感交互設計在科普展示空間的應用逐漸增多，但好的體感交互體驗不僅需要與科普內容融合，還需要時刻考慮到用戶需求，增加了用戶與展品間的互動性與可能性。文章提出體感交互技術在科普展示領域應用原則后進行實際案例開發，為中國傳統文化的科普信息化之路提供了思考方向，也為后續交互語境下的科普展示的研究提供了新的思路。

基金名稱：北京工業大學第16屆研究生科技基金基金編號：ykj-2017-00858。

參考文獻

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[3]劉鑫辰，付慧源，馬華東.基于RGB-D攝像頭的實時手指跟蹤與手勢識別[J].計算機科學，2014，41 （10）：50-52

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