立体视觉类科普展品的设计开发<br/>——以科普展品“三色鸟”为例

立体视觉类科普展品的设计开发
——以科普展品“三色鸟”为例

2021-07-22刘成伟吉盛旺刘卫庄黄洪明合肥通用环境控制技术有限责任公司

安徽科技 2021年6期

文/刘成伟吉盛旺刘卫庄黄洪明（合肥通用环境控制技术有限责任公司）

一、背景

科普场馆光学展区的展品大部分是基于“视觉暂留”和“三基色”科学原理。三基色是指通过其他颜色的混合无法得到的“基本色”。由于人的肉眼有感知红、绿、蓝三种不同颜色的锥体细胞，色彩空间通常可以用这三种基本色来表达，这三种颜色被称为“三基色”[1]。视觉暂留现象即视觉暂停现象，又称“余晖效应”。由于人的眼睛具有一个重要的特性——视觉惰性，即光像一旦在视网膜上形成，视觉将会对这个光像的感觉维持一个有限的时间，这种生理现象叫做视觉暂留性[2]。

但是，目前科技馆光学展区这类展品存在如下两个比较突出的问题：一是大多数采用平面画来表现，形式单一；二是采用两套不同的展品分别表现“视觉暂留”和“三基色”原理。如何将“视觉暂留”和“三基色”原理结合起来，在一套展品上用更加生动的表现形式进行展示，成为展品开发设计人员需要思考和解决的问题。

二、设计思路

立体形体的动态旋转，配合三基色LED灯光颜色控制合成，立体形体与三基色灯光融为一体，“视觉暂留”和“三基色”现象向观众同时呈现。为增强表现形式，又设计了故事情节和背景音乐，且故事情节与背景音乐互相配套，在特定的节点匹配不同的背景音乐或音效，使整个展示过程更加生动有趣，激发观众探索科学原理的兴趣，如图1 所示。

图1 设计思路示意图

三、表现形式策划

设计丰富的表现形式，展示“视觉暂留”和“三基色”的科学原理。鸟的数量可以是1 只、2 只甚至8 只，鸟的形态可以原地飞、转圈飞或者互相追赶，还可以互相“撞击”合成颜色，见表1。

四、设计方案

1.结构方案

展品由电机驱动的转盘、8 只3D打印小鸟模型和三基色LED 灯组成。电机驱动转盘和安装在转盘上的8 只3D打印小鸟模型一同旋转，通过检测编码器计算小鸟模型位置，在特定的位置点亮和熄灭每个小鸟模型底部三基色LED灯光，如图2 所示。

图2 结构示意图

表1 展品的表现形式及演示功能

2.电气方案

展品电气系统主要由控制板、步进电机、旋转编码器、导电环和8 个三基色LED 灯组成。由于转盘是旋转的，故“转盘电气系统”与“台下电气系统”通过导电环连接。

在初始方案中，采用“单一控制板”的方案，安装于“台下电气系统”，该方案需要大量控制电源线经过导电环。在实践中发现这种方案导电环体积较大，电气线路复杂，系统稳定性差，如图3 所示。

图3 电气初始方案示意图

在改进方案中，采用“主控制板+从控制板”的方案。在“转盘电气系统”设置“主控制板”，在“台下电气系统”设置“从控制板”，“主控制板”与“从控制板”之间经导电环采用RS232 通信方式。在本方案中仅需少量线路通过导电环，相比初始方案系统更稳定可靠，如图4 所示。

图4 电气改进方案示意图

3.控制方案

转盘上8 只3D 打印小鸟飞翔动作分解模型，每只鸟模型下方均有一个三基色LED 灯，在特定的位置点亮熄灭不同的三基色LED 灯，利用“视觉暂留”现象，人眼可看到连贯的动态影像。为了方便控制，我们将转盘等分成80 份，观众第一视角记0 度，逆时针方向记80 个固定刻度，如图5 所示。那么，转盘上8 只鸟模型在每个时间点，均对应唯一刻度。当转动转盘时，8 只鸟模型的实时刻度，可通过检测旋转编码器脉冲实时计算获得。

要实现鸟在某刻度原地飞，只需控制每一个转到该刻度的鸟模型，下方三基色LED 灯快速亮灭一次。例如要实现1 只红鸟在0 刻度原地飞，就需要每个鸟模型转到0 刻度时，下方三基色LED 的红灯快速亮灭一次。按照上述原理，可实现一只鸟或多只鸟在任何刻度原地飞，鸟的颜色可以是红、绿、蓝，也可以是“三基色”的组合色。要实现鸟转圈飞，只需改变鸟原地飞的刻度。