文/劉成偉 吉盛旺 劉衛(wèi)莊 黃洪明（合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司）

一、背景

科普場館光學(xué)展區(qū)的展品大部分是基于“視覺暫留”和“三基色”科學(xué)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(lán)三種不同顏色的錐體細(xì)胞，色彩空間通?？梢杂眠@三種基本色來表達(dá)，這三種顏色被稱為“三基色”[1]。視覺暫留現(xiàn)象即視覺暫?，F(xiàn)象，又稱“余暉效應(yīng)”。由于人的眼睛具有一個(gè)重要的特性——視覺惰性，即光像一旦在視網(wǎng)膜上形成，視覺將會對這個(gè)光像的感覺維持一個(gè)有限的時(shí)間，這種生理現(xiàn)象叫做視覺暫留性[2]。

但是，目前科技館光學(xué)展區(qū)這類展品存在如下兩個(gè)比較突出的問題：一是大多數(shù)采用平面畫來表現(xiàn)，形式單一；二是采用兩套不同的展品分別表現(xiàn)“視覺暫留”和“三基色”原理。如何將“視覺暫留”和“三基色”原理結(jié)合起來，在一套展品上用更加生動的表現(xiàn)形式進(jìn)行展示，成為展品開發(fā)設(shè)計(jì)人員需要思考和解決的問題。

二、設(shè)計(jì)思路

立體形體的動態(tài)旋轉(zhuǎn)，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(xiàn)象向觀眾同時(shí)呈現(xiàn)。為增強(qiáng)表現(xiàn)形式，又設(shè)計(jì)了故事情節(jié)和背景音樂，且故事情節(jié)與背景音樂互相配套，在特定的節(jié)點(diǎn)匹配不同的背景音樂或音效，使整個(gè)展示過程更加生動有趣，激發(fā)觀眾探索科學(xué)原理的興趣，如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)思路示意圖

三、 表現(xiàn)形式策劃

設(shè)計(jì)豐富的表現(xiàn)形式，展示“視覺暫留”和“三基色”的科學(xué)原理。鳥的數(shù)量可以是1 只、2 只甚至8 只，鳥的形態(tài)可以原地飛、轉(zhuǎn)圈飛或者互相追趕，還可以互相“撞擊”合成顏色，見表1。

四、 設(shè)計(jì)方案

1.結(jié)構(gòu)方案

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

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

表1 展品的表現(xiàn)形式及演示功能

2.電氣方案

展品電氣系統(tǒng)主要由控制板、步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、導(dǎo)電環(huán)和8 個(gè)三基色LED 燈組成。由于轉(zhuǎn)盤是旋轉(zhuǎn)的，故“轉(zhuǎn)盤電氣系統(tǒng)”與“臺下電氣系統(tǒng)”通過導(dǎo)電環(huán)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(tǒng)”，該方案需要大量控制電源線經(jīng)過導(dǎo)電環(huán)。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這種方案導(dǎo)電環(huán)體積較大，電氣線路復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，如圖3 所示。

圖3 電氣初始方案示意圖

在改進(jìn)方案中，采用“主控制板+從控制板”的方案。在“轉(zhuǎn)盤電氣系統(tǒng)”設(shè)置“主控制板”，在“臺下電氣系統(tǒng)”設(shè)置“從控制板”，“主控制板”與“從控制板”之間經(jīng)導(dǎo)電環(huán)采用RS232 通信方式。在本方案中僅需少量線路通過導(dǎo)電環(huán)，相比初始方案系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠，如圖4 所示。

圖4 電氣改進(jìn)方案示意圖

3.控制方案

轉(zhuǎn)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(gè)三基色LED 燈，在特定的位置點(diǎn)亮熄滅不同的三基色LED 燈，利用“視覺暫留”現(xiàn)象，人眼可看到連貫的動態(tài)影像。為了方便控制，我們將轉(zhuǎn)盤等分成80 份，觀眾第一視角記0 度，逆時(shí)針方向記80 個(gè)固定刻度，如圖5 所示。那么，轉(zhuǎn)盤上8 只鳥模型在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，均對應(yīng)唯一刻度。當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時(shí)，8 只鳥模型的實(shí)時(shí)刻度，可通過檢測旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖實(shí)時(shí)計(jì)算獲得。

要實(shí)現(xiàn)鳥在某刻度原地飛，只需控制每一個(gè)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)1 只紅鳥在0 刻度原地飛，就需要每個(gè)鳥模型轉(zhuǎn)到0 刻度時(shí)，下方三基色LED 的紅燈快速亮滅一次。按照上述原理，可實(shí)現(xiàn)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(lán)，也可以是“三基色”的組合色。要實(shí)現(xiàn)鳥轉(zhuǎn)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(lán)三種顏色鳥逐個(gè)出現(xiàn)，互相追趕“重合”，初步感受“視覺暫留”現(xiàn)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(jié)，配合背景音效，進(jìn)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(gè)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(lán)鳥“撞擊”：紅+藍(lán)=品紅（16—20）；

（3）藍(lán)鳥和綠鳥“撞擊”：藍(lán)+綠=青色（21—25）。

3.結(jié)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(gè)展示，結(jié)束整個(gè)演示過程。

六、結(jié)語

展品通過旋轉(zhuǎn)的3D 模型和三基色頻閃燈光相配合，利用視覺暫留效應(yīng)為觀眾帶來動態(tài)影像的同時(shí)，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(tài)效果相融合，配合著帶有故事情節(jié)的輕松活潑的音樂，給予觀眾視聽雙重感官體驗(yàn)，激發(fā)觀眾學(xué)習(xí)科學(xué)、探索科學(xué)的熱情。

圖6 演示流程示意圖