体感交互技术在博物馆科普展示中的探究

张航鑫 张丽莉

摘  要：随着社会发展与人们生活方式的转变，大众对公共文化产品的需求日益增加，博物馆衍生成为了科普教育的重地。由于体感交互技术的迅猛发展，博物馆科普展览形式也在不断推陈出新。本文立足于洞庭湖生物多样性保护发展实际，将“生物保护+体感交互”结合思考，通过查阅文献与实地勘察，探究体感交互装置在科普展示当中的设计方法与技术路线，在秉承交互设计合理化原则基础上设计体感交互装置《洞庭色彩》，为用户提供获取知识难度低，交互易操作的科普装置。这为洞庭湖生物多样性保护的科普宣传提供设计思路，也为体感交互视角下的科普展示设计提供合理建议。

关键词：博物馆；科普展示；生物多样性；体感交互

科普展示最根本的任务是传达信息。近年来，随着科学技术的更新迭代，新媒体艺术大放异彩。科普形式也在不断发展，博物馆作为面向社会公众的非营利性机构，如今也越来越重视对公众的科普教育功能。2020年，洞庭湖博物馆正式对外开放，对于洞庭湖生物保护有着重要意义，发挥着重要的科普教育功能。中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于新时代进一步加强科学技术普及工作的意见》的文件中指出要构建社会化协同、数字化传播新时代科普生态，大力推动科普全面融入文化、社会，以及生态文明建设等，文章认为将新媒体艺术理论知识协同体感交互技术以及相关软件同洞庭湖多样性生物保护进行结合创作设计，可以有效提高观众参观的积极性，降低观众获取知识的门槛，营造更加有趣的科普环境，从而提高科普效率。体感交互技术赋予博物馆全新的展陈方式。但其中一些博物馆为了追赶“时尚潮流”，在展项交互设计方面单纯狂炫技术，忽略了博物馆功能的核心是向社会群体科学及有效地传播信息。本文通过对博物馆体感交互的深入研究，发现体感交互装置能够有效填补物理展品信息传达不足的缺点，将用户轻易代入作品当中，多感官维度去帮助用户更好地与展品产生情感共鸣[1]。因此，如何利用体感交互技术与洞庭湖生物多样性保护完美契合创造出有价值的科普内容，营造有趣的科普展示环境，普及洞庭湖生物知识，激发观众保护意识是本文研究的主要问题。

一、体感交互概述

（一）体感交互概念

体感交互是一种直接利用躯体动作、声音、眼球转动等方式与周边环境、装置或画面进行互动[1]的行为方式。用户利用肢体动作与作品产生互动，一边体验一边获取生成的信息内容。

体感交互主要包含硬件设备、软件系统以及交互动作三个重要部分，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读取的用户信息，向用户传递出连续稳定反馈的计算机程序。交互动作可以理解为一种肢体语言符号，在体感交互中发挥着桥梁作用，动作符号能够被硬件设备读取传输，通过软件处理产生稳定的输出效果。

（二）科普设计中的体感交互设计理念

体感交互的服务对象是“人”，重点在于交互，在科普展示设计当中，体感交互的运用需要围绕以下几个关键点：

第一是交互设计要围绕科普对象，科普主体内容是最主要的，体感交互只是科普形式的转变，交互要围绕内容展开，用户在体验操作之后能够明确获取到的科普知识。

第二是交互设计要围绕目标用户来设计，在设计的过程中，需要充分考虑到用户的一些行为，这些行为通通都被称之为目标，然后按照这样的目标来进行设计，比如说用户可能会点击，用户可能会滑动，用户也可能会放大或者缩小，那么用户一旦有这些行为目标，那么在这种行为目标产生之后，用什么样的方式来进行交互，这个就是一个很直接的设计理念。

第三是交互设计需要具有可用性，用户使用起来会觉得有趣，操作过程当中能够产生一些比较好的感受，这就是所谓的可用性，非常强调用户在使用过程当中的直觉。

第四是符号性的设计理念，也就是说把用户在操作过程当中所见到的或者触摸到的，或者是点击到的东西，通通设计成可见的符号或者图标，而且这些符号和图标具有一定的信息传递功能，让用户看到了之后，即使条件反射慢的也能够知道点击了或者是放大缩小了，又或者是滑动了之后会产生的一些行为[4]。

第五是时间反馈响应机制，用户做出了某一个动作之后，并不会马上呈现出这样一个效果，而是需要有一个过渡，那么这个过渡的时间就应该把握好，时间太长了，用户失去耐心，等待时间太短了，有可能呈现不出良好的效果。

（三）博物馆科普设计中的体感交互设计原则

互动项目的应用，主要作用于参观者，它的作用就是带入式地让观众在体验中了解博物馆的展出内容，因此互动项目的设计需要遵循一定的设计原则，具体围绕以下展开。

第一，互动简单易懂。博物馆参观人群年龄范围较广，包括老年人和儿童，他们的心智发展水平不同，且用户受教育程度不同，这就要求互动装置通俗易懂，简单的操作就可以获取到内容的输出，那么在场景中就需要设置显眼且和谐的提示来引导用户体验。

第二，交互过程有趣。交互有趣也是一个重要前提，用户总是对未知的东西感到好奇，在用户体验装置的同时能够体会到乐趣，更容易达到“寓教于乐”的目的。用户喜欢体验，就会引发思考，所以交互装置应该发掘其可玩性，添加奖励性机制完善反馈性机制。

第三，划定有效交互区域。有效交互区域[5]指的是传感器设备能够完整准确识取用户肢体动作的限定范围空间。交互的关键在于这个限定范围区域的设置应该考虑用户的便捷性。用户可以轻易获取到体验内容，而不需要频繁试错。其次要保证用户在参观体验的时候正好位于有效交互区域当中，且在体验时不得超出限定范围。因此在装置周围应该设置有效提示，提醒用户站在合理有效的区域内。

第四，交互贴合内容。交互是为科普主体服务的，所以体感交互设计要在主体内容基础上合理加入，这里包括画面内容、周围环境。用户在体验的时候可以被自然地代入到作品当中从而沉浸式体验。

二、博物馆科普展示的现状

传统的博物馆科普展示主要以静态文物陈列和讲解员讲解为主，这种方式已经无法满足观众的互动体验需求。随着科技的发展，越来越多的博物馆开始引入新兴技术。目前在博物馆科普展示当中，体感交互技术运用主要分为三大类型：人机类互动、体感识别类互动、虚拟现实类互动。

人机类互动是利用电脑、触控屏等设备，用户需要用手对设备进行操作，获取展品信息，博物馆常见的电子虚拟翻书，以往平面的展出内容如今在机器上用手触控屏幕即可查看。体感识别类互动需要物理传感器的帮助，从而识别到用户的肢体动作，与周围环境、装置产生交互行为。营造出体验用户独有的视觉感受，增强用户的体验感受[6]。例如全球头部多媒体娱乐工作室 Moment Factory，2020年为加拿大自然博物馆「冰河时代的奥秘」展览开发的互动项目（如图1），让观众积极参与的同时，营造了一种新的“时空”相隔体验。虚拟现实类互动则是利用传感设备、计算机虚拟引擎、计算机图形等多种技术手段虚构出一个类真实世界。虚拟现实技术能够带给用户强烈的沉浸感，不仅仅可以刺激用户的视觉，还能通过五感等多维度与用户进行实时交互。

三、体感交互技术在博物馆科普展示中的应用方案

文章在上述设计理念与设计原则的基础在，提出体感交互技术在科普展示项目中的一般设计思路与流程（如图2），从洞庭湖生物多样性保护观点出发设计体感交互装置《洞庭色彩》，依据设计流程与方法进行设计实践，验证体感交互设计在洞庭湖博物馆科普展示中的可行性与合理性。大自然赋予洞庭湖独特的色彩，装置围绕洞庭湖生物本身颜色、叫声以及自然环境结合设计，取名为《洞庭色彩》。用户可以欣赏到洞庭湖生物群居的生活场景。伸出双手与画面互动，画面中出现三维粒子特效，随意散布在画面当中，宛如一群小精灵散布在主体周围，象征着生物的自由生命力，带给观众精美的视觉画面，文章借此作品希望用户在感受生物带给洞庭湖绚丽多彩颜色的同时能够去重视和保护它们的生存环境。

（一）确定科普目标

科普的首要目标是科普知识，体感交互技术用来辅佐科普。推动科普形式创新发展的首要之初就是要明确科普目标。《洞庭色彩》将生物保护与体感交互相结合，借助体感捕捉设备，用自由散发的三维粒子来与主体相融合，表达人与自然和谐共生的深刻寓意。生物多样性在画面当中灵活呈现，人与画面互动产生的粒子带给观众一种直观的表达，引发用户去感受、去思考，拉近用户与洞庭湖生物之间的距离，向用户传达生物保护的理念。

生物保护是当今社会非常重视的一个问题，政府以及社会群众应该协同努力，艺术从业者也应该动用自己的学识，将艺术更多地与生物保护与科技相结合，来呼吁更多人去了解生物，保护生物。这对于艺术作品来说具有很重要的公益价值与社会价值。

（二）搭建科普环境

围绕科普目标进行展开，发掘有趣的主题内容，为用户搭建有趣的体验方式，将用户代入到拟定的科普环境当中[7]。《洞庭色彩》以生物保护为主题，发掘出生物本身色彩的独特性，搭建生物多样性背景下洞庭湖绚丽的色彩空间，依靠色彩的情感渲染力营造一个直观的生物保护科普空间。颜色或色彩是通过“眼、脑和人们的生活经验”所产生的一种对“光”的视觉效应。但是人对颜色的感觉不仅仅由“光”的物理性质所决定，还包含着“生活经验、个人情感、心理作用[8]”等许多因素。色彩心理作用是指色彩作用于人的情感所产生的心理感受与综合性生理感觉作用。它影响着人们的记忆、感知、联想和情感，刺激着视觉，在设计中有着不可忽视的作用。生物色彩赋予了洞庭湖生命力与情感，将色彩与生物联系在一块，便产生了洞庭湖是绚丽多彩的创作灵感，生命赋予自然色彩，我们赋予生物生命。

（三）确定交互方式

科普情境搭建完成后，要针对作品交互方式进行斟酌设计，需要注意的是，交互是一个双向输出互相影响的过程，用户需要提供信息进行互动，这样才能完成互动。《洞庭色彩》交互装置体验区设置在屏幕正前方，根据Kinect传感器设备的最佳体验距离是1.2～3.5m之间，所以设计之初站在用户体验者的距离角度去设计。针对《洞庭色彩》这个装置设计以下交互内容：人与自然、生物之间的相互交融，当用户在装置面前挥动手臂，画面中也会有与人手掌相对应的位置，并且在相应位置生成无限的粒子特效。（如图3）该粒子特效颜色会跟随画面的主色调整变化，使其与画面主体更加融合，粒子随后会向下漂浮，不断生成，当手臂离开感应区域，粒子会向右下角飘落消失且不会生成新粒子。

四、实现具体步骤

确定交互方式之后，进行装置原型模拟测试，再通过用户体验进行改进。以《洞庭色彩》艺术装置为例，通过粒子直观展示，表达出人们与洞庭生物和谐共生的画面。画面内容主要包括四个方面。

（一）画面主体选择

文章首先选择了洞庭湖地区具有代表性的麋鹿、江豚，以及东方白鹤，还有大众比较陌生的中华秋沙鸭。麋鹿与江豚属于洞庭湖地区特有的珍稀动物，且数量濒危。而东方白鹤与中华秋沙鸭每年冬季之前都会迁徙南下来到洞庭湖度过寒冷的冬季。它们的出现赋予了洞庭湖周边最独特的风景画面，生态意义尤为重要。为了更好表现生物的生活习性，文章选择通过建立数字模型+骨骼动画，这样画面中的生物更加生动且贴近真实。

（二）画面色彩表现

装置名称叫《洞庭色彩》，因此颜色是画面中比较重要的构成元素。文章在这里考虑到观众的知识接受度不同，视觉疲劳特性，在每一幅画面中只运用了三种颜色，给观众营造一种欢快清雅的氛围[9]。在麋鹿画面中，主题色选取麋鹿本身特有的棕黄色，辅助色搭配了芦苇丛的黄绿色。麋鹿本身自带的神秘性与幸运属性，加上颜色赋予的心理效应，给予观众一种温暖、积极的感觉。江豚画面主题色选取江豚自身的颜色灰白色，辅助色笔者从湖水中提取到蓝色与绿色，蓝色给人一种信任，放松感，而少量绿色能够增加画面的自然属性。侧面透露出江豚对于人们的信任感，以及在人们的保护下江豚能够顺利繁衍生息。中华白鹤头顶和脸裸露无羽鲜红色，体羽白色。人们常常在落日的夕阳里看到成群的白鹤驻足与飞翔，呈现出一幅“落霞与孤鹜齐飞”的绝美画面。这里笔者选取白色，红色作为主题色，湖水的蓝色作为辅助色。通过颜色渐变过渡以达到“秋水共长天一色”的画面效果。整个画面传递出白鹤的激情与能量。中华秋沙鸭通常为深中褐色，且雌性与雄性颜色不同，文章在这里选取了蓝绿色与棕黄色作为主题色，白色作为辅助色。成群的中华秋沙鸭聚集在湖泊上，构造出一幅自然且充满生机的画面。粒子特效颜色选择呼应主题颜色。四幅画面颜色轻快简洁，色彩饱和度高，冷暖和谐。笔者希望借助画面颜色勾起观众内心的情感回忆，激发出观众内心对生物的保护欲望。

（三）画面视觉表现

粒子特效是画面重要的组成部分，主要表现为观众在装置前挥手互动，画面会生成不同的颜色粒子（如图4），且粒子跟随观众手部位置进行移动生成。观众赋予粒子生命，让它们自由飘荡在画面当中，丰富画面层次。

（四）多感官相融合

在音乐与音效的设计方面，背景选择舒缓空灵的大自然河流背景氛围音乐，其次针对每一种生物搭配设计他们独有的叫声音效，从听觉上促使用户能够更加深刻清晰地认识到作品所展示的主体，使观众更好地融入作品当中，促使用户对作品本身产生一定包含个人情感价值的思考。为了更好地营造体验氛围，根据kinect设备的最佳体验距离1.2～3.5m，在设备检测区域最佳体验位置应放置提示语。

（五）作品应用前景

作为体感交互装置优先应用于博物馆、展览馆（如图5）这类具有人流量且能够向用户传播知识的重要场所，同时借助各种媒介的发展，也可以采用多媒体设备来进行传播，将其转化为可交互的动态海报（如图6），增加其科普传播的广泛性。

五、结语

文章的创新之处在于，利用体感设备Kinect进行肢体动作的捕捉，经过可视化软件解码翻译肢体运动数据，通过画面变化反馈于用户，增强用户与设备之间的互动，通过体感交互技术将现有的洞庭湖濒危生物转换为动态交互的、可视化的画面，降低用户获取知识的难度，提高用户在参观中的趣味性，进一步提高用户对于洞庭湖濒危生物的兴趣与认识，丰富体感交互装置作品的公益价值，也为后者在体感交互视角下的科普展示设计提供参考思路。

现阶段体感交互设计在生物保护方面的运用还需要更多人去践行，科普展示作为传播知识的重要途径，也需要更多的新技术引入。文章因时间和技术水平的限制，还需要进一步完善，例如针对濒危生物的生活状况，压力因素的表达，以及如何通过艺术加工进行图形化呈现还需要进一步研究；体感交互方面也仅仅开发了手臂肢体动作的捕捉，相对于Kinect设备的优势还没有完全发挥，未来将应对博物馆大人群基数的参观互动，更好地优化交互界面与交互方式来操控画面，实现多名参观者同时交流互动，增强体验感与互动性。

参考文献：

[1]王梦笛.探析交互设计在博物馆展陈方式中的运用[J].美与时代（城市版），2019（2）：107-108.

[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（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（10）：50-52，61.

[4]王健荣，艾文华.湖南博物院文创产品与设计的符号学识读[J].湖南包装，2023（1）：22-25，29.

[5]李桢干，褚兴彪.博物馆展陈设计中的数字媒体艺术创新研究[J].湖南包装，2023（1）：143-145，163.

[6]陈建新，马士勤.博物馆展陈的交互方式研究[J].艺术与设计（理论），2018（4）：67-69.

[7]王珊.体感交互技术在科普展示中的应用——以《万物有灵》体感交互装置为例[J].设计，2020（7）：32-34.

[8]夏沁宁，黄秋野.记忆体验视角下博物馆数字展示技术应用研究[J].湖南包装，2022（6）：96-98.

[9]肖雯丽.基于体感交互技术的互动影像设计[D].上海：上海工程技术大学，2021：38-42.

作者简介：张航鑫，湖南理工学院美术与设计学院硕士研究生。

通讯作者：张丽莉，硕士，湖南理工学院美术与设计学院副教授，硕士生导师。