立體視覺類科普展品的設計開發
——以科普展品“三色鳥”為例

文/劉成偉 吉盛旺 劉衛莊 黃洪明（合肥通用環境控制技術有限責任公司）

一、背景

科普場館光學展區的展品大部分是基于“視覺暫留”和“三基色”科學原理。三基色是指通過其他顏色的混合無法得到的“基本色”。由于人的肉眼有感知紅、綠、藍三種不同顏色的錐體細胞，色彩空間通常可以用這三種基本色來表達，這三種顏色被稱為“三基色”[1]。視覺暫留現象即視覺暫停現象，又稱“余暉效應”。由于人的眼睛具有一個重要的特性——視覺惰性，即光像一旦在視網膜上形成，視覺將會對這個光像的感覺維持一個有限的時間，這種生理現象叫做視覺暫留性[2]。

但是，目前科技館光學展區這類展品存在如下兩個比較突出的問題：一是大多數采用平面畫來表現，形式單一；二是采用兩套不同的展品分別表現“視覺暫留”和“三基色”原理。如何將“視覺暫留”和“三基色”原理結合起來，在一套展品上用更加生動的表現形式進行展示，成為展品開發設計人員需要思考和解決的問題。

二、設計思路

立體形體的動態旋轉，配合三基色LED燈光顏色控制合成，立體形體與三基色燈光融為一體，“視覺暫留”和“三基色”現象向觀眾同時呈現。為增強表現形式，又設計了故事情節和背景音樂，且故事情節與背景音樂互相配套，在特定的節點匹配不同的背景音樂或音效，使整個展示過程更加生動有趣，激發觀眾探索科學原理的興趣，如圖1 所示。

圖1 設計思路示意圖

三、 表現形式策劃

設計豐富的表現形式，展示“視覺暫留”和“三基色”的科學原理。鳥的數量可以是1 只、2 只甚至8 只，鳥的形態可以原地飛、轉圈飛或者互相追趕，還可以互相“撞擊”合成顏色，見表1。

四、 設計方案

1.結構方案

展品由電機驅動的轉盤、8 只3D打印小鳥模型和三基色LED 燈組成。電機驅動轉盤和安裝在轉盤上的8 只3D打印小鳥模型一同旋轉，通過檢測編碼器計算小鳥模型位置，在特定的位置點亮和熄滅每個小鳥模型底部三基色LED燈光，如圖2 所示。

圖2 結構示意圖

表1 展品的表現形式及演示功能

2.電氣方案

展品電氣系統主要由控制板、步進電機、旋轉編碼器、導電環和8 個三基色LED 燈組成。由于轉盤是旋轉的，故“轉盤電氣系統”與“臺下電氣系統”通過導電環連接。

在初始方案中，采用“單一控制板”的方案，安裝于“臺下電氣系統”，該方案需要大量控制電源線經過導電環。在實踐中發現這種方案導電環體積較大，電氣線路復雜，系統穩定性差，如圖3 所示。

圖3 電氣初始方案示意圖

在改進方案中，采用“主控制板+從控制板”的方案。在“轉盤電氣系統”設置“主控制板”，在“臺下電氣系統”設置“從控制板”，“主控制板”與“從控制板”之間經導電環采用RS232 通信方式。在本方案中僅需少量線路通過導電環，相比初始方案系統更穩定可靠，如圖4 所示。

圖4 電氣改進方案示意圖

3.控制方案

轉盤上8 只3D 打印小鳥飛翔動作分解模型，每只鳥模型下方均有一個三基色LED 燈，在特定的位置點亮熄滅不同的三基色LED 燈，利用“視覺暫留”現象，人眼可看到連貫的動態影像。為了方便控制，我們將轉盤等分成80 份，觀眾第一視角記0 度，逆時針方向記80 個固定刻度，如圖5 所示。那么，轉盤上8 只鳥模型在每個時間點，均對應唯一刻度。當轉動轉盤時，8 只鳥模型的實時刻度，可通過檢測旋轉編碼器脈沖實時計算獲得。

要實現鳥在某刻度原地飛，只需控制每一個轉到該刻度的鳥模型，下方三基色LED 燈快速亮滅一次。例如要實現1 只紅鳥在0 刻度原地飛，就需要每個鳥模型轉到0 刻度時，下方三基色LED 的紅燈快速亮滅一次。按照上述原理，可實現一只鳥或多只鳥在任何刻度原地飛，鳥的顏色可以是紅、綠、藍，也可以是“三基色”的組合色。要實現鳥轉圈飛，只需改變鳥原地飛的刻度。

五、演示流程

1.開端（圖6：01—10）

在歡快的背景音樂中，紅、綠、藍三種顏色鳥逐個出現，互相追趕“重合”，初步感受“視覺暫留”現象，了解“三基色”及其合成。

2.高潮（圖6：11—25）

一種顏色鳥先被彈弓緩慢拉回，隨后被釋放射出，加速“撞擊”另一種顏色的鳥，兩種“三基色”鳥顏色合成。通過有趣的故事情節，配合背景音效，進一步了解“三基色”合成。這部分由以下三部場景組成：

圖5 臺面等分80 個固定刻度示意圖

（1）紅鳥和綠鳥“撞擊”：紅+綠=黃色（11—15）；

（2）紅鳥和藍鳥“撞擊”：紅+藍=品紅（16—20）；

（3）藍鳥和綠鳥“撞擊”：藍+綠=青色（21—25）。

3.結尾（圖6：26—30）

在歡快的背景音樂中，三基色及其合成的色逐個展示，結束整個演示過程。

六、結語

展品通過旋轉的3D 模型和三基色頻閃燈光相配合，利用視覺暫留效應為觀眾帶來動態影像的同時，也通過不同色光的混合展示了三基色光的合成，并且這種色光的合成與影像動態效果相融合，配合著帶有故事情節的輕松活潑的音樂，給予觀眾視聽雙重感官體驗，激發觀眾學習科學、探索科學的熱情。

圖6 演示流程示意圖