开源平台在互动装置设计中的应用研究

摘 要：以案例分析法归纳物联网时代下公共互动装置艺术的现状，并通过对公共空间互动装置艺术设计流程中原型设计的重要性的论述提出Arduino硬件开源平台。深入分析Arduino硬件开源平台应用于互动装置设计中的优势，为城市公共互动装置的创新实践提高更多的可能性。

关键词：Arduino；公共空间；互动装置；原型设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.209

公共艺术主要是指存在在公共空间中，通过丰富多样的艺术表现方式促使社会公众与城市在生理、情感以及精神层面上产生互动，并在情感与行为的互动中展示城市形象与文化。传统的公共艺术从其存在的物理形态角度可分为静态为主的公共艺术：雕塑、壁画、园林景观，动态为主的公共艺术：喷泉、灯光秀、街头行为表演等。而随着社会从工业社会进入信息社会，数字制造技术、互联网技术和再生性能源技术等科学技术的发展对传统公共艺术产生巨大影响，公共艺术受到的技术局限越来越小，其形式更加多样化、材质运用更加丰富，物联网、云计算、虚拟现实等技术的加入促使“互联网+公共艺术模式”的互动装置艺术应运而生。互动性强、体验性好、参与性高的互动装置艺术打破传统“以静态观赏”为主的模式，沉浸式的五感体验交互与行为互动促使公众高度的积极性“参与”其中，更好的达成宣传与聚集人气等目的。在设计过程中设计师与工程师的分工界限逐渐模糊，而对于设计师而言，艺术与技术融合对他们提出的新的挑战，而且在设计流程中的静态原型已不能满足互动装置艺术地设计测试需求。遂本文将Arduino开源平台引入到互动装置艺术设计流程中，开展针对互动装置艺术原型设计实现的方法研究。

1 公共互动装置艺术概念定义与设计流程分析

1.1 公共互动装置艺术定义

公共互动装置艺术（Interactive Public Art Installations）是指在城市公共空间中存在的一种利用高新技术手段完成的可供人们与之实时交互的艺术表现形式，是数字化城市的产物。美国麻省理工学院教授凯文·林奇（Kevin Lynch）在《城 市意象》中指出 ：“在城市场景中人们不仅仅是简单的观察者，与其他的参与者一起，人们也成为场景的组成部分。”[1]公共互动装置艺术的出现旨在通过参与式的体验使人与人、人与装置、人与空间产生互动交流，从而吸引人们驻足讨论，提升公共环境的人气，增强宣传效果，引发人们对有些作品的思考。

1.2 公共互动装置艺术案例分析

艺术家、设计师、科学家、工程师组合起来的跨领域创作团队在最近几年世界各大著名艺术展会和城市公共环境中呈现了不少基于智能互动形式的艺术设计作品。2016年由加拿大Ekumen团队所设计所设计的大型互动式灯光艺术装置“光环”出现在被世界最知名的冬日庆典之一的加拿大特娄灯光节（Montreal En Lumière）户外公共展区内（如图1）。2米宽的光环内置入24格不同故事的黑白底片，当用户进入光环拉动内置拉杆时便可唤醒光环开始运转，音乐开始播放，灯光开始不断变换，环状壁面的黑白故事也在不断运转播送，它们变换的快慢取决于用户拉杆拉动的速度。设计师将西洋镜、音乐盒与铁道列车的元素融入到“光环”设计中，通过视觉、听觉为人们带来愉悦的互动体验。

荷兰罗斯加德工作室创始人丹·罗斯加德（Daan Roosegaarde）是一名拥有艺术硕士和建筑学博士学位的跨学科艺术家，他善于运用高科技手段实现作品和参观者的互动，将众多结合现代科技的城市景观装置带动大众身边。《莲花》是由许多智能的铝合金箔片组合而成的互动装置，它随着人们的移动与周围温度的变化而自发的收折或打开（如图2）。丹·罗斯加德运用智能薄片、传感器等多种综合技术，通过对用户行为的捕捉展现形态的不同变化，给人们带来人与空间相融合的光与影的互动形态变化。

1.3 公共互动装置艺术设计流程分析

一个成功的创新不但需要具备巧妙的创意，而且还需制定周密、详尽且不乏弹性的计划，并付诸实践，持之以恒地执行。[2]公共互动装置是科学技术与设计艺术的结合体，其作品中互动技术的加入使用户在参与中得到沉浸式的感官与情感体验。公共互动装置在设计过程中“以人为本”的根本导向符合产品设计的核心思想，因此其设计流程按照产品设计流程基本框架进行。而关于产品设计流程国际上很多著名专家和学者做过详细的描述和解释。1984年，德国Pahl和Beitz教授以系统化理论为基础将产品設计流程分为任务明确、概念设计、设计进化以及详细设计四个阶段，其倡导设计工作应具备条理性，并认为产品设计的重点是需求分解和方案评估。[3]1995年，Roozenburg 和Eekels站在项目的全局角度联合创新设计流程模型，将产品设计划分为产品规划（制定目标和策略、产品创意选择）、严谨开发（产品开发、产品设计、产品测试、产品营销计划）与产品实现（产品生产、产品销售）三个主要步骤，他们认为不应将设计从一个完整项目独立出来单独思考其流程。他们将严谨开发视为最核心的步骤，从前期计划中将需求进行功能点转化得出产品开发的方向，将最具前景的方案转化成周密的产品设计，并以草模的形式进行原型测试，通过测试验证产品造型、功能、材质、配色设计的合理性，此步骤保证后期大批量生产的有序进行，也在一定程度上降低了产品失败的风险。他们强调在原型测试中对新产品的各个因素（功能、外观、使用行为、制作、成本、使用环境等）进行慎重考虑，并不断完善产品。

原型设计作为整个产品开发流程中至关重要的部分受到越来越多企业的重视，是纸面方案与批量生产之间的重要环节，将抽象的方案具体化有利于设计人员对产品进行更加客观的评价和测试。

在以批量生产为代表的硬件类产品设计中，原型设计需要工程师、CMF设计师、结构设计师等专业人员协同完成；在交互类虚拟软件产品设计中，原型设计可借助Axure、高保真图等简单易学的工具完成，这一过程设计师便可独立完成。而基于人交互行为的公共互动装置对原型设计提出更高的要求，它不再仅仅对材质、色彩、外观等要素进行评估，而需要通过可交互的原型进行行为测试评估、交流沟通、设计思考和方案管理。因此，交互技术的加入成为公共互动装置原型设计的必备要素，而交互相关的技术知识也成为设计师必备的知识储备。但java、c++等面向嵌入式的硬件编程门槛较高，对于大部分以艺术学为学科背景没有理工科基础的设计师而言难度太大，而为传授互动设计而诞生的Arduino开源平台成为非专业人士的首选。

2 Arduino应用与城市公共互动装置艺术原型设计中的可行性

Arduino由欧洲开发团队于2005年研发而成，由硬件（各种型号的Arduino Board）和软件（Arduino IDE）组成，主要以AVR单片机为核心控制器的单片机应用开发板，是一款专门针对创客、设计师、电子爱好者的可开源电子硬件设计平台。Arduino是一个开放源代码的单芯片微电脑，它使用了Atmel AVR单片机，构建于开放源代码，其编程语言是建立在C/C++语言基础上的。[4]它作为一个使用便捷源代码的微型控制器旨在为非专业人士传授互动技术，以用户独立完成互动类产品原型设计为目标，鼓励全世界的人去做他们认为最酷的事情。其开放性、易用性、交流性及丰富的第三方资源激起了全球范围内的创客风潮，是21世纪创客运动兴起的标志性事件。

（1）门槛低。树莓派（Raspberry Pi）、英特尔和Arduino是目前嵌入式计算与开源硬件（OSHW）领域中用户量与口碑排名前三的产品。树莓派与英特尔在运行速度、性能等方面优于Arduino，但相比树莓派与英特尔而言，Arduino其接口的标准化使得使用流程标准化，而且模块化的电子元件让硬件的入门门槛被大幅度降低。同时，随着Webduino、haohaodada、KenRobot等图形化编程软件的出现Arduino平台的软件编程变得越来越简单，而且拥有大量可被修改编辑的开源协议范围内的原始代码，编程这一最大技术壁垒对于非专业人士的影响也越来越小。因此，对于创客、设计师等非专业人士来说，学习成本较低的Arduino更适合运用在原型设计当中。

（2）功能较完整。Arduino其软件IDE界面基于开放源代码，网络上有众多程序开发代码免费下载使用，也可依据个人需求对代码进行修改。其硬件方面Arduino可独立运行与软件进行交互，同时目前市面中拥有大量电子元件可供用户选择，例如开关、舵机、各类传感器、马达等各类输出装置与控制器件，用户可通过“加法”的形式进行模块化组合，得出无限的可能。面向电子爱好者的开源电子硬件平台Arduino由于其可组装的功能模块和丰富文件库能够基本满足设计师在制作可交互装置原型的需求。同时，随着Arduino功能不断完善，国内小米yeelight、无人机的大疆、Pebble 智能手表等都是使用Arduino作为平台基础研发完成。

Arduino其研发的目的是为实现非专业人士的创意、设想而创造的一款可自主设计的智能控制器。但这里所指的创意与设计师、科学家所完成专业级产品有所区别。在城市公共互动类设施产品设计流程中，学习门槛低的Arduino主要帮助设计师完成产品在量产与产品实体模型化之前的功能与体验的可用性测试，验证產品的行为逻辑合理性以及评估产品可用性。同时，Arduino模块化的特点可以让用户在进行原型设计的过程中尝试不同的组合方式，有利于创造新的可能。

3 结论

互联网与传感器技术不断发展与成熟的趋势下，公共空间艺术不断智能化、互动化、趣味化已成为未来几年的必然发展方向。公共空间互动装置作为艺术与技术的结合产物，其原型设计在整个设计流程中显得尤为重要。而如何更接近构想的互动行为呈现出来是设计师应该考虑的问题。基于Arduino开源硬件的技术途径可以帮助设计师更好的完成其最终作品，同时在原型调试过程中迸发出新的创意灵感，在设计质量得到保证的同时大大提升效率。将Arduino开源平台引入公共互动装置的设计过程中不仅打破传统公共空间艺术只供观赏的价值体现，形成一种全新的公共空间艺术，而且帮助设计师通过作品更多的考虑人、装置、周围环境乃至社会的交流互动。

参考文献：

[1]（美）凯文·林奇，方益萍、何晓军（译）.城市意象[M].北京：华夏出版社，2001.

[2]Annemiek van Boeijen、Jaap Daalhuizen等.设计方法与策略[D].华中科技大学出版社.

[3]G Pahl，W Beitz.Engineering Design[J].Unknown，1990（06）：231-

234.

[4]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012（16）.

[5]付久强.基于Arduino平台的智能硬件设计研究[J].包装工程，2015，5，36（10）：76-79.

[6]（美）Cooper A，（美）Reimann R等，刘松涛（译）.About Face 3交互设计精髓[M].北京：电子工业出版社，2008.

[7]杨楠，李世国.物联网环境下的智能产品原型设计研究[J].包装工程，2014（06）：55-58.

[8]（加）Wigdor.自然用户界面设计[M].人民邮电出版社，2012.

基金项目：教育部人文社科西部和边疆地区项目（15XJC760004）；重庆市教育委员会人文社会科学研究项目（16SKGH052）；重庆邮电大学社会科学基金重点项目（2017KZD04）；重庆市教委科学技术研究项目（KJ120512）。

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