第11章　交互界面硬件設(shè)計(jì)

【學(xué)習(xí)的目的】

本章具體講解互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)中的交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)概念，就互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)中的交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)的概念以及常用的設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行深入的研究。

【學(xué)習(xí)的重點(diǎn)】

交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)及方法。

【教與學(xué)】

采用實(shí)例分析講解交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)及方法，通過對(duì)典型硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法的分析掌握交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)及方法。

交互設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在完成了交互界面軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)后，下一個(gè)需要解決的問題就是交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)，本章將就互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)中的交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)的概念以及常用設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行深入研究。

11.1　交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)

11.1.1　交互界面物理平臺(tái)設(shè)計(jì)概念

所謂交互界面的硬平臺(tái)即用物理的方式取代軟平臺(tái)中單一的人機(jī)交互方式，如用真實(shí)的燈光開關(guān)來控制軟平臺(tái)設(shè)計(jì)中的視頻里的燈光的開合。硬平臺(tái)的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的人機(jī)交流方式，使得交互界面更人性化，提升了作品的親和力，帶給使用者身臨其境的心理感受。

交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)集藝術(shù)與技術(shù)于一體，對(duì)于一個(gè)從事互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師來講，不僅要有藝術(shù)創(chuàng)作能力，還要學(xué)會(huì)借助技術(shù)手段進(jìn)行交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)，這樣才能制作出完美的互動(dòng)作品。

設(shè)計(jì)師或藝術(shù)家對(duì)各種交互媒體的技術(shù)現(xiàn)狀、新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)有清楚的把握，才能在互動(dòng)作品構(gòu)思階段很好地將新技術(shù)結(jié)合進(jìn)來，設(shè)計(jì)出合理可行的人性化交互界面。雖然作品實(shí)施可以找專業(yè)人士提供幫助，但并不意味著設(shè)計(jì)師就可以對(duì)技術(shù)完全放手，否則不可能構(gòu)思出好的作品，更不要說目前很多互動(dòng)藝術(shù)作品就是直接依賴新技術(shù)手段創(chuàng)作出來的。

The Escape Service是法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路最新做的一個(gè)戶外互動(dòng)廣告作品。在廣場(chǎng)上，一個(gè)大黑盒子吸引著行人的注意，當(dāng)徘徊的人們終于走近盒子，想按動(dòng)紅色按鈕時(shí)，卻傳來“請(qǐng)講一個(gè)你最想逃去的地方?”的提問，當(dāng)行人回答完問題并按下紅色按鈕后奇跡出現(xiàn)了，充氣的紅唇、五彩的絲帶煙火、絢麗的霓虹，還有送出大獎(jiǎng)的小火車等場(chǎng)景紛紛出現(xiàn)。The Escape Service是一個(gè)典型的互動(dòng)藝術(shù)作品，交互界面的設(shè)計(jì)別出彩，沒有簡(jiǎn)單地運(yùn)用電腦屏展示虛擬影像，而是采用更真實(shí)、更有視覺沖擊力的真實(shí)物體呈現(xiàn)在觀眾面前，作品充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制的聲光電等技術(shù)，給觀眾營(yíng)造了一份更真實(shí)的身臨其境的身心感受，這正是交互界面硬平臺(tái)所創(chuàng)造的神奇效果，是未來互動(dòng)媒體藝術(shù)形態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)之一，如圖11-1。

圖11-1　互動(dòng)廣告The Escape Service

11.1.2　交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

與界面設(shè)計(jì)的軟平臺(tái)相比，由于涉及的技術(shù)種類更多，因此交互界面硬平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法更多樣，制作上也更加復(fù)雜，一些復(fù)雜的物理解決方案經(jīng)常會(huì)給從事互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師或藝術(shù)家?guī)碇卮蟮膭?chuàng)作阻礙。這就需要找到一些應(yīng)對(duì)的辦法，比如對(duì)于較復(fù)雜又成熟的技術(shù)，如大型投影、觸摸屏、半球投影等技術(shù)產(chǎn)品可以考慮直接采購成品，而對(duì)于其他一些較簡(jiǎn)單的交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)，則可通過選擇簡(jiǎn)單易操作的方法或?qū)ΜF(xiàn)有的一些小電子產(chǎn)品進(jìn)行改造來順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是用人或生物的一些現(xiàn)有語境，如肢體語言、聲音語言等取代鍵盤、鼠標(biāo)等傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式，從而使交互藝術(shù)作品具有更人性化的交互界面。交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，可以采集使用者的信息指令，并將此指令發(fā)送給計(jì)算機(jī)軟平臺(tái);反之，交互界面軟平臺(tái)也可發(fā)送指令來控制真實(shí)世界的行為，如The Escape Service項(xiàng)目中送大獎(jiǎng)的小火車等。

交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本流程分三步:信號(hào)采集、信號(hào)傳遞與信號(hào)處理。

1.信號(hào)采集

采集外界的生物行為信息，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。可利用傳感器獲取人或生物的行為信息，傳感器種類很多，常用的有溫度、濕度及運(yùn)動(dòng)傳感器等，通過這些電子元件，可以捕捉人或其他生物的活動(dòng)信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬信號(hào)再傳遞給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)端口。

2.信號(hào)傳遞

計(jì)算機(jī)大多數(shù)沒法直接接收傳感器的數(shù)據(jù)信息，要想將外界的電子信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，必須借助中間件進(jìn)行連接，比如一些計(jì)算機(jī)外設(shè)或具有與計(jì)算機(jī)連接端口的單片機(jī)等，他們大多通過USB或無線接口與計(jì)算機(jī)相連，這些中間件在傳感器與計(jì)算機(jī)間搭建起一座橋梁，一邊接收傳感器的采集的信息，并對(duì)其進(jìn)行一定的分析處理，一邊將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)的串口。反之也可將計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令通過中間件傳遞到外界，以控制如電動(dòng)機(jī)等外設(shè)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.信號(hào)處理

交互界面軟平臺(tái)從計(jì)算機(jī)端口處接收信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以調(diào)控虛擬場(chǎng)景的變化，如觀眾可以通過吹氣來控制虛擬畫面里氣球的飄動(dòng)，而給真實(shí)的花盆澆水，即可控制計(jì)算機(jī)虛擬平臺(tái)上樹木的成長(zhǎng)等。反之，在軟平臺(tái)上由虛擬場(chǎng)景發(fā)出命令，亦可將指令傳輸給計(jì)算機(jī)端口，最終通過中間件控制真實(shí)世界的物體，如控制燈光的開關(guān)等。

傳感器是硬平臺(tái)設(shè)計(jì)信息采集的重要工具，傳感器種類繁多，可以采集自然界的各類信號(hào)，傳感器功能強(qiáng)大，體積小巧，在進(jìn)行互動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)可以很巧妙地偽裝起來，充分展現(xiàn)互動(dòng)藝術(shù)的神奇魅力，如圖11-2。

圖11-2　各種傳感器

11.2　交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)方法

傳感器的即時(shí)信息無法直接傳輸給計(jì)算機(jī)，需要借助一個(gè)中間件來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。中間件作為數(shù)據(jù)信息傳遞的橋梁，一邊負(fù)責(zé)接收傳感器的信息，一邊將信息傳遞給電腦，所以中間件不僅要能與傳感器進(jìn)行連接，還要方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接才能完成傳感任務(wù)。交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)的不同實(shí)施方法主要取決于中間件的選擇，目前比較常用的有以下兩種方法。

11.2.1　計(jì)算機(jī)外設(shè)法

中間件的主要特點(diǎn)就是要能與計(jì)算機(jī)相連，因此鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、麥克風(fēng)等這些電腦外設(shè)便成了首選。它們既然不存在與計(jì)算機(jī)相連接的問題，那么是否可以接收傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)呢?答案自然是沒有問題，而且操作起來相對(duì)簡(jiǎn)單，非常適合于初學(xué)者進(jìn)行互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)嘗試。

由于攝像頭和麥克風(fēng)可以直接獲取外界信息并傳遞給計(jì)算機(jī)，因此它們不僅可以發(fā)揮信息傳遞的功能，還可以解決信息采集的功能，是當(dāng)前重要的交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)工具，這里不再贅述。

鍵盤、鼠標(biāo)不能直接接收傳感器的信息，但他們的使用功能可以接收敲擊的信息，所以對(duì)他們進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，將傳感器的信息轉(zhuǎn)換成鍵盤或鼠標(biāo)的輸入信號(hào)，就完成了傳感器與中間件的連接?；阪I盤或鼠標(biāo)的信號(hào)特點(diǎn)，這種方法必然存在一個(gè)很大的局限性，就是只適合于接收開關(guān)類傳感器的信息，如紅外開關(guān)傳感器等，而對(duì)于檢測(cè)溫度或濕度等模擬信號(hào)類的傳感器來講，就愛莫能助了。

所謂對(duì)鍵盤和鼠標(biāo)的改造，也非常簡(jiǎn)單，就是選擇一個(gè)舊的鍵盤、鼠標(biāo)，這些淘汰下來的舊物只要還能與計(jì)算機(jī)連接，按鍵可以不靈活，某些按鍵也可以失效，只要基本的按鍵功能完好即可，如圖11-3。用螺絲刀將它們拆開，取出連接的線路板，接下來的改造方法如下:

1.鼠標(biāo)的改造

在左邊按鍵的開關(guān)上焊接上兩條導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線連接和斷開時(shí)就可以模擬按鍵的效果了。將兩條導(dǎo)線與開關(guān)傳感器信號(hào)線相連接，當(dāng)傳感器接收到一個(gè)開關(guān)信號(hào)就可以模擬一次鼠標(biāo)的按鍵，計(jì)算機(jī)軟平臺(tái)只需要處理鼠標(biāo)按鍵的事件，這樣就實(shí)現(xiàn)了真實(shí)世界與虛擬世界的信息交流。

2.鍵盤的改造

拆下鍵盤電路板，一般的鍵盤電路板都有兩組接線腳，取一根導(dǎo)線，各取每組里一個(gè)接腳進(jìn)行連接，當(dāng)兩個(gè)腳點(diǎn)連接時(shí)，會(huì)模擬一個(gè)字符的輸入。根據(jù)這一原理，將開關(guān)類傳感器的信號(hào)線與兩腳點(diǎn)連接，當(dāng)傳感器接收一個(gè)開關(guān)信號(hào)，即可模擬一個(gè)字符的輸入。

圖11-3　鼠標(biāo)、鍵盤的改造

11.2.2　專用單片機(jī)法

外設(shè)法簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，但其局限性也是明顯的，對(duì)于那些需要接收模擬信號(hào)的項(xiàng)目，這種方法就無計(jì)可施了。近幾年來，隨著新媒體技術(shù)的發(fā)展，這方面的需求越來越大。為了解決這一問題，在中間件的開發(fā)上，一些包含微處理器的單片機(jī)模塊被越來越多地使用進(jìn)來，Arduino就是這樣一款產(chǎn)品，它是一塊包含了微處理器的集成電路產(chǎn)品，提供若干的數(shù)字與模擬輸入與輸出端口，可以直接通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，可接收大多數(shù)傳感器的數(shù)字與模擬信息，并最終將信號(hào)通過計(jì)算機(jī)串口傳入計(jì)算機(jī)中。

除了將傳感器的信息傳遞給計(jì)算機(jī)，Arduino還可以將計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)通過該模塊傳輸給外部機(jī)電設(shè)備，如控制電機(jī)或LED光源等。甚至拋開計(jì)算機(jī)，僅利用Arduino自身的微處理器，便可實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界控制真實(shí)世界，如傳感器采集用戶的肢體語言發(fā)出的指令，再通過Arduino的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)而控制同樣連接在Arduino上面的小車的移動(dòng)或燈光的變化等。

Arduino真正實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)物質(zhì)世界雙向的信息交流問題。也就是說微處理器模塊不但可以將參觀者的行為等信息通過傳感器傳入計(jì)算機(jī)，也可以將計(jì)算機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)的反饋信息再通過該模塊反饋回去，再去控制現(xiàn)實(shí)世界。Arduino通用性更強(qiáng)，適用范圍更廣，為交互界面硬平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了更多的可能性，為互動(dòng)設(shè)計(jì)帶來更多人機(jī)對(duì)話樂趣。

圖11-4　Arduino和Wiring單片機(jī)模塊

應(yīng)用于新媒體交互設(shè)計(jì)的單片機(jī)模塊種類很多，除了Arduino外，還有具有更多輸入輸出端口的Wiring，如圖11-4。即使是Arduino，也有應(yīng)用于不同場(chǎng)合的數(shù)十種型號(hào)的產(chǎn)品，有端口極少的只有硬幣大小的Mini型、具有藍(lán)牙功能的無線型等可供選擇，為互動(dòng)媒體的界面設(shè)計(jì)帶來更大的發(fā)展空間，如圖11-5。

圖11-5　Mini和無線型Arduino

11.3　Arduino的應(yīng)用

中間件Arduino為傳感器與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)通用的平臺(tái)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Arduino帶有6個(gè)模擬端口和13個(gè)數(shù)字端口，負(fù)責(zé)同時(shí)接收和輸出多路不同類型的信號(hào)，Arduino提供了一個(gè)專門的程序編寫環(huán)境，通過將控制程序燒錄到Arduino的微處理芯片上，讓Arduino按編寫好的程序指令去進(jìn)行信息的溝通與控制。

11.3.1　Arduino的工作原理

Arduino是一個(gè)電子模塊，通過USB線可以與電腦直接連接，可以直接通過USB線由電腦供電，當(dāng)然如果負(fù)載過大也可以用外接電源。

標(biāo)準(zhǔn)的Arduino模塊配有6個(gè)模擬口和13個(gè)數(shù)字口，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置成輸入或輸出端口，它們負(fù)責(zé)接收或發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外界物理環(huán)境的對(duì)話，如圖11-6。例如如果要接入一個(gè)紅外線開關(guān)類的傳感器的信號(hào)，由于是數(shù)字信號(hào)，可以將其接入Arduino的一個(gè)數(shù)字端口。而如果要接入一個(gè)感應(yīng)溫度的溫度傳感器，由于它是隨著溫度的變化而不斷變化的模擬信號(hào)，則需要將其信號(hào)線接入Arduino的模擬端口。

圖11-6　Arduino模塊基本結(jié)構(gòu)

11.3.2　Arduino的安裝

在使用Arduino前，必須先安裝硬件驅(qū)動(dòng)程序。將Arduino連接到計(jì)算機(jī)USB端口，第一次連接到計(jì)算機(jī)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示安裝硬件，到Arduino官網(wǎng)上下載最新的安裝程序，按提示指定驅(qū)動(dòng)文件目錄，便可順利完成安裝。安裝完成后打開系統(tǒng)設(shè)備管理器，在端口列表中可見USBSerial Port，表明硬件已安裝完成。

11.3.3　Arduino的編程環(huán)境

Arduino主體是一個(gè)微處理芯片，它負(fù)責(zé)對(duì)所有輸入與輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，比如采集數(shù)據(jù)次序、采集頻率、對(duì)端口的控制等，Arduino有很多端口，每個(gè)項(xiàng)目都有不同的連接，如何將這些信息傳遞給計(jì)算機(jī)都需要程序進(jìn)行控制。

Arduino的程序控制是將程序事先寫入控制芯片中，由芯片按程序設(shè)定對(duì)信號(hào)進(jìn)行管理。在連接好硬件線路后，下一步就是在Arduino的軟件編程環(huán)境中編寫調(diào)試程序，并最終燒錄到芯片中。Arduino的編程環(huán)境非常簡(jiǎn)單明了，編輯窗口的主體是源碼編寫區(qū)和下面的信息反饋區(qū)，編寫好的源碼先要經(jīng)過編譯，結(jié)果會(huì)顯示在信息反饋區(qū)中，通過編譯的程序才可被燒錄到芯片中，如圖11-7。Arduino模塊的芯片可以被重復(fù)寫入程序，在不同的項(xiàng)目中反復(fù)使用。

圖11-7　Arduino編程窗口

打開編程頁面，需要對(duì)COM口進(jìn)行確認(rèn)后方可進(jìn)行程序編譯。打開計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制面板，檢查安裝的Arduino的COM端口編號(hào)，然后在Arduino編程環(huán)境中，打開菜單TOOLS，選擇正確的COM端口編號(hào)，正確設(shè)置后即可開始魔幻之旅了。

11.4　Arduino的編程規(guī)則

11.4.1　HELLO程序

這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的Arduino程序，也是一個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出的處理方法，芯片將控制插在13號(hào)數(shù)字端口上一個(gè)LED燈的開關(guān)過程，使其按每秒一次的頻率閃爍。程序編寫好后，先要進(jìn)行編譯，編譯通過后，將程序燒入微處理芯片中，最終即可看見插在13號(hào)數(shù)字端口的LED燈每隔1秒亮一次。

對(duì)上面的程序進(jìn)行改進(jìn)，在1號(hào)數(shù)字端口插入一個(gè)數(shù)字開關(guān)傳感器，來控制13號(hào)LED燈的開關(guān)。

11.4.2　模擬信號(hào)輸入

在Arduino的實(shí)踐應(yīng)用中，除了數(shù)字信號(hào)的處理外，很多時(shí)候還需要將非開關(guān)類傳感器所發(fā)出的模擬信號(hào)，如溫度、濕度等信息傳送給計(jì)算機(jī)，那么Arduino如何將接收的模擬傳感器的信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)呢?我們可以看下面的程序段:

通過上面兩個(gè)例子，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)Arduino的編程非常簡(jiǎn)單明了，很容易學(xué)習(xí)掌握。由于本書受篇幅所限，對(duì)于更復(fù)雜的數(shù)字或模擬信號(hào)的輸入與輸出，建議大家訪問Arduino的http://www.arduino.cc/技術(shù)主頁，獲取更全面的信息。

11.4.3　與應(yīng)用軟件連接

Arduino可以將外界的物理信號(hào)接收進(jìn)來，并可通過USB端口傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將接收到的信號(hào)傳遞給交互設(shè)計(jì)軟平臺(tái)來控制虛擬平臺(tái)的元素，如控制Flash或Director的文件播放或動(dòng)畫執(zhí)行等。

Processing交互設(shè)計(jì)軟平臺(tái)可以直接讀取計(jì)算機(jī)串口數(shù)據(jù)，但并不是所有的軟件平臺(tái)都能直接獲取串口數(shù)據(jù)，像Flash或Director都沒法直接接收串口數(shù)據(jù)，而需要一些代理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。如為了安全起見Flash沒有外接的數(shù)據(jù)接口，但可以通過XML socket來實(shí)現(xiàn)與串口代理程序的數(shù)據(jù)傳遞，可供Flash選用的串口代理程序有很多種，如serproxy或SS6都是比較常用的方法，通過這些串口代理服務(wù)器，F(xiàn)lash可以很方便地接收Arduino傳給計(jì)算機(jī)的串口數(shù)據(jù)。

在互動(dòng)界面軟平臺(tái)系統(tǒng)中對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，用串口數(shù)據(jù)去控制動(dòng)畫運(yùn)行或視頻播放等效果，圖11-8所示的交互作品實(shí)例中，通過對(duì)插入到蘭花花盆里的濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集，Arduino將濕度模擬信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)串口，F(xiàn)lash通過串口服務(wù)器接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)來控制虛擬世界中植物的生長(zhǎng)。

圖11-8　濕度傳感器互動(dòng)設(shè)計(jì)

【本章思考】

1.分析交互界面硬平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程。

2.歸納交互界面硬平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。