体感交互技术在科普展示中的应用

王珊

摘要：近年来，科普展示逐渐成为新时代科普教育的重要形式之一，以科学普及为目的的展览也层出不求，在科学技术发展的推动下，数字化手段越来越多地运用在科普展示中。文章将体感交互技术与科普展示设计合理结合，为用户营造互动科普体验环境。针对体感交互的概念特点，通过文献分析和市場调研，探究了体感交互在科普展示空间中的设计理念，提出科普展示空间中体感交互设计的应用原则并进行实际案例开发。在交互逻辑构建合理的前提下，开发以中国传统文化为背景的《万物有灵》体感交互装置，为用户提供了更直观、简单的交互式科普环境。为中国传统文化的科普信息化之路提供了思考方向，也为后续交互语境下的科普展示的研究提供了有益建议。

关键词：体感交互 科普展示 用户体验 传统文化 交互设计

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 04-0032-03

引言

进入21世纪以来，科普形式在不断谋求新的发展，科普展示成为新的科普教育媒介平台，它不仅在传递公共文化信息和商业信息发挥着重要作用[1]，也借助人工智能、大数据、云计算等技术将多种多样的交互形式融入到科普教育当中。随着信息化时代的到来，人机交互方式也从键盘鼠标等触控式实体交互向手势、动作、表情、运动、语音等体感交互方式转变，用户可以通过言语、肢体动作和脸部表情与计算机发生自然而然的交互。体感交互技术在国内教育应用研究开始于《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，掀起了教育信息化理论、技术与应用三领域的研究浪潮。文章认为，将体感交互技术合理地应用于科普展示领域将极大地提高观展者的积极性与科普效果，营造更有趣的科普环境，但在目前的科普教育研究中，不少学者将注意力集中于对科学技术、天文地理等内容的科普，缺乏对中国传统文化如何普及的研究，因此，如何合理利用交互技术打造优质内容，营造有趣的科普体验环境，传播普及优秀的中国传统文化是目前需要解决的问题。

一、体感交互概述

（一）体感交互概念：体感交互是计算机通过捕捉用户的动作来获取命令，通过算法给予用户可视化反馈的一项技术，用户可以更加自然地与展品进行互动，自主接收有效信息。

体感交互主要分为硬件设备与软件系统两大部分，其中硬件设备主要包括以Kinect、Arduino、Leap motion[2]等为主的传感器、RGB摄像头[3]以及各类声音、动作捕捉设备;软件系统主要是接收处理从硬件设备传输的用户信息，向用户传递出连续稳定反馈的计算机程序。

（二）应用于科普展示空间的体感交互形式：如今在科普展示空间中，体感交互设计按照交互方式划分主要分为三个类型：触控型模式、体验型模式和沉浸型模式。

首先，触控型交互展示模式是利用传感器等硬件设备对用户动作、手势进行识别，实现用户与展品之间的交流。例如在科技馆、博览会或其他教育科普展示平台中，这种交互展示模式可以令用户自主获取有效科普内容。其次，体验型交互展示模式主要是利用全息影像与异面投影等手段为用户营造现区别于实生活的体验环境，使用户在不借助头戴设备的情况下也能立体地感受科普内容。最后，沉浸型交互展示模式是利用外接设备、灯光、音效以及场景搭建营造一个完整的科普空间，展示场景可跟随用户的动作反馈发生相应变化，使用户参与到科普环境中，例如日本teamLab[4]设计团队打造的脱离时间空间限制的虚拟互动场景《花舞森林》。

二、体感交互技术在科普展示空间中的设计理念

体感交互式科普展示的核心在于“交互”，在展示空间中进行交互设计需要满足以下几个前提：

其一是交互设计项目要为科普主体服务，不能重互动技术而忽略内容。当同一科普主体下互动形式过多时，用户会因为体验操作频繁而产生倦怠情绪从而降低参与热情。

其二是要符合用户体验心理需求。根据马斯洛需求层次需求分析中所提到的观点：当用户某一层次的需要相对满足了，就会追求更高一层次的需要[5]。因此在展览中，交互设计也要注重在满足形式上的感官刺激需求后向满足感性层面的情感需求转变，最大限度地利用体感交互技术将用户融入到展览当中。

其三是注重营造多维体验环境，结合用户的感受与周围环境的关系，营造多维体验环境。

其四是建立合理的动作逻辑，由于人和机器成功交互的根本限制在于缺乏共同立场[6]，所以在构思体感交互的动作逻辑的过程中需要避免以下两个方面：1.与现实环境体验过于相似。如果作品的动作逻辑过于常规化，甚至与现实生活中的体验并无差别，那么体感交互就不能给予用户趣味感的提升，甚至成为体验行为本身的负担。2.强行建立人机动作逻辑。当为了展现体感交互的新奇性，将用户与反馈之间强行建立动作联系将难以达到良好的科普效果，用户的体验过程也会感到无聊。例如体感交互作品《雨屋》（如图1），构建了一个淋雨而不湿身的体验环境，用来科普自然规律与环境保护等方面的知识。作品内容虽简单，但它不仅将用户从现实生活的体验中带离出来，又建立了一个十分巧妙的动作逻辑。下雨天不打伞会淋湿是每个人都明白的常识，而《雨屋》便将这一传统想法翻转，带用户进入_个下雨时不打伞也不会被淋湿的神奇世界。所有复杂的技术——例如追踪系统和水循环等全部自然而然地退后被隐藏了，而裸露出来的只有最简单最迷人的一点——日常认知的行为逻辑，被轻巧地颠覆了。

三、科普展示中的交互设计原则

（一）互动机制易懂：用户在参观过程中的停留时间是十分有限的，在有限时间内，互动项目的易学性就显得十分重要。例如需要用户移动手臂获取信息，那么场景当中就需要有明显却又不突兀的提示来引导其进行交互体验。

（二）交互模式简洁：在交互体验的过程中，用户获取的信息可以是十分丰富的，但从操作层面来说则越简单越精炼越佳。用户在观展过程中，其目的是为了更好地获取展览信息，了解作品蕴藏的内涵，所以在操作层面应该做到交互方式轻松简单、给予用户的反馈及时。

互动二：感知真我与虚我之间的关联和影响。

画面以黑色背景表现厚重的空间感，粒子元素则以高明度、高纯度的颜色设计呈现强烈对比。此外，同一画面、同一时段范围内，空间中粒子颜色利用对比色或邻近色相搭配，使得画面冲击力与和谐感并存，给用户带来奇妙的视觉体验。当用户站在检测区域内时，粒子世界中飘浮的方块将汇聚成人形，用户通过挥动手臂控制场景内方块运动方向形成唯—且独特的粒子动画，如图6、7。

为了使画面视觉效果更为梦幻，为场景内的粒子添加了例如“自动发光”、“镜反射”等特效。当系统处于“互动状态”时，除附着在用户身上的粒子外，空间中所有飘浮的粒子，均受到向上的作用力，粒子的运动轨迹由初始状态，呈上升趋势飘浮在空间中。当系统处于“展示状态”时，空间中只有部分粒子向上飘浮，另一部分粒子则汇聚成预设的模型图案。两个状态的设计不仅提高了视觉感情表达的价值，而且也使整个图像的呈现不再停滞，显示了空间流动的意义，营造的视觉效果更活跃有趣。

在粒子元素的设计方面，采用花、水、几何粒子等表现形式，注重色彩与空间的动态和谐，视觉整体性强。元素还应用了多种反射效果，能够为互动画面增添极大的奇幻感与绚丽感，如图8、9。

在配乐的设计方面，背景音乐选择空灵、静谧气氛音乐，从听觉上促进用户更专注地沉浸到太极文化的艺术互动之中，促进用户对自我、宇宙、万物进行一定的哲学性思考。

为了营造沉浸感更强的展示情境，Kinect设备的最佳互动距离是在1.2～3.5m之间，为了让用户获取最佳的互动体验，需在检测区内设置最佳体验区的提示，—次典型的体验时长大约为2到3分钟。在环境营造方面，互动屏幕的周围可以用作品元素为装饰进行场景搭建，增强用户的视觉延续性，达到最优的互动体验。

（五）展望应用前景：目前的文化类科普交互展项缺乏带给用户一定深度思考的交互内容，同时也缺乏新颖、便捷的交互形式。本作品基于体感检测技术和太极文化设计而成的体感互动装置《万物之灵》可以应用在各类公共场合，如作为哲理性交互项目应用于传统文化展会，或作为商业性文化科普大屏交互项目应用于其他公共空间，既可以满足展会及商户吸引人群、延长关注时间等需求，还可以促进传统文化的普及，激发用户对道教文化、太极文化的兴趣，引发一定的哲学思考，具有较好的应用前景。

结语

现阶段体感交互设计在科普展示空间的应用逐渐增多，但好的体感交互体验不仅需要与科普内容融合，还需要时刻考虑到用户需求，增加了用户与展品间的互动性与可能性。文章提出体感交互技术在科普展示领域应用原则后进行实际案例开发，为中国传统文化的科普信息化之路提供了思考方向，也为后续交互语境下的科普展示的研究提供了新的思路。

基金名称：北京工业大学第16届研究生科技基金基金编号：ykj-2017-00858。

参考文献

[1]赵鹏飞.浅析现代展示设计发展趋势[J].艺术与设计（理论），2013 （10）：60-62

[2]林德江，井志胜，王国德，等基于Leap Motion体感控制技术的数字化展示系统研究[J].火炮发射与控制学报，2015，36 （4）：86 90

[3]刘鑫辰，付慧源，马华东.基于RGB-D摄像头的实时手指跟踪与手势识别[J].计算机科学，2014，41 （10）：50-52

[4]九月.teamLab，迷失在未来世界[J].艺术与设计，2017 （6）：136-143

[5]晋铭铭，罗迅.马斯洛需求层次理论浅析[J].管理观察，2019 （16）：77-79

[6]（美）唐纳德A诺曼刘松涛译未来产品的设计[M].北京：电子工业出版社，2009： 50

[7]夏勇峰Kinect與人机交互的未来[J].商业价值，2011 （2）：60-63

[8]吴伟和，万巧慧.体感语境之下的交互行为设计[J].装饰，2013 （6）：104-105

[9]魏长增，傅兴.多媒体交互技术在展示设计中的运用[J].包装工程，2010 （18）：97-100

[10]宗白华.美学散步[M].上海：上海人民出版社，2005： 15-17