LED 灯光对交互方式的影响
内容摘要
LED 从发明到大规模使用的时间并不长，但已经对人类生活产生了重大的影响。在可预见的未来，它将出现在人类的所有生活场景中。除此之外，在各种足以改变人类与机器交互方式的背后，也都隐藏着LED 的身影。本文在回顾LED 短暂历史的同时，着重从两个方面阐述其对数字艺术、电子艺术的推动：一是LED 可见光已成为塑造电子艺术作品动态空间造型的重要技术手段；二是红外LED 对人机交互技术变革产生重要的促进作用。
一、关于LED
1936 年，乔治（George Destiau）发表了一个关于硫化锌粉末发射光的报告，随着电流的应用，最终出现了“电致发光”这个术语。20世纪50 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓，发明了第一个具有现代意义的LED。
LED 是英文Light-Emitting Diode 的简称，学名发光二极管，主要由PN 结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压后，其发光过程包括：载流子注入、复合辐射及光能传输。在LED 两端加上正向电压，半导体晶体就会发出不同颜色的光线，可以通过改变电流实现变色和调节光的强度。[1] LED 是继火、白炽灯、荧光灯后人类照明的第四次革命。随着20 世纪后期新材料研发的不断突破，LED 的发光效率和能量转换效率都得到不断提高。
通过表1 可以清楚地了解LED 与日常传统照明方式的能效对比结果，同时对LED 在各方面的优势有一个理性认识：
1. 工作电压很低（有的仅一点几伏）；
2. 工作电流极小（有的仅零点几毫安即可发光）；
3. 抗冲击和抗震性能好，可靠性高；
4. 借由调节通过的电流强弱可以方便地调节发光的强弱，形成特殊的视觉性效果；
5. 使用寿命长（数万小时）；
6. 固态封装、体积小，便于组合安装；单颗LED 发光区域近似为点光源，较易进行二次光学设计，满足特殊应用。
正是由于LED 具有上述特点，它最早往往被嵌入各类电子设备、仪器上，作为监测设备运行状态的指示灯。1962 年，任职于美国通用电气公司的霍洛亚克（Holonyak）博士研制出第一个可商品化的LED。因为他在该领域的功绩，1997 年美国光学学会特别设立了“霍洛亚克奖”。虽然当时的LED 仅能发出870 纳米的人眼所不可见的红外光，且发光效率极低，但红外LED 被迅速运用到视频、音频等设备的远程控制上。通俗点说，平时接触最多的家用电器所带的遥控器就是以LED 发出的红外线作为传输控制信号的媒介。
1971 年，美国通用、孟山都及IBM 公司的联合实验室研制出了红、橙、黄、绿的LED 光色，同一时期伴随着以LED 光源为基础显示模块的手表与计算器问世后，LED 作为显示设备开始进入大批量商用的阶段。90 年代，中村修二[3] 博士发明了高亮度蓝光LED 从而补全了LED 的全彩显示功能，使白光LED 成为可能并实现了任何可见颜色的光。近年来，LED 以其高发光效率及节能、环保、直流驱动等诸多优点逐渐替代了传统光源，成为功能照明和装饰照明的新宠。液晶显示器的超薄背光也正是依靠LED 才能得以实现，这也直接导致了CRT 等传统显示设备的淘汰。近年来，超薄LED 全彩显示屏的研制设计与大规模生产、上市促进了各类广告牌、户外大屏幕的更新换代，也推动了如汽车、家电、可穿戴设备等各类工业与消费类产品嵌入更多的超薄屏幕，最终大批量地进入寻常百姓的日常生活中。
二、电子艺术与LED
1. 屏幕化
液晶屏相比传统CRT 在规格尺寸、重量与便携性上都有明显的优势，因此成为许多当代艺术家作品呈现方式的重要载体。20 世纪末开始，便有相当一部分当代艺术作品通常由数十甚至数百个液晶屏来构建组成某种造型，同时各个屏幕上播放着一系列与作品主题相关的内容，从而营造出艺术家希望表达的某种空间与氛围。
马克·汉森与本·罗宾斯合作完成的作品《听邮件》（ListeningPost ）于2003 年在美国惠特尼艺术博物馆展出，该互动装置与互联网相连，把网络上许多聊天室、留言板甚至公共论坛里的言论文字通过语音同步软件播放出来，同时相应的文字和图形也在超过200 个液晶屏中实时显示。作品输出的显示方式是用200 多个液晶屏悬挂并形成了一面极具视觉冲击力的阵列，装置本身就能够让观众感受到全球文化的多元、繁杂与冲突，从而展现出地球村的概念。设想如果没有液晶显示屏的帮助，则无法实现该作品的表达理念与艺术氛围。
从显示技术的角度上看，与《听邮件》类似的作品比比皆是，不过是屏幕数量、大小尺寸的差别，从建筑立面的大尺度到把玩尺度的微缩空间，其本质仍然是屏幕化的平面图形与影像。LED 不过是屏幕中一个重要的导光元件，并不参与到作品的创意构思中。（图1）
2. 空间化
屏幕的变化只是设备的更新换代，而把多颗独立LED 灯珠进行空间化的表达，才能使艺术家天马行空式的创意思维得到淋漓尽致的充分展现。近几年，随着全彩LED 与大功率LED 光源的成熟，同时因Arduino、Edison 这一类开源电子平台的出现，给予了新一代电子艺术家们更大自由发挥的空间。他们不再满足于仅使用LED 屏来展现动态文字和影像，而是直接使用LED 灯珠为媒介，并通过设计不同的电路且辅以智能控制程序，甚至配合机械控制装置来实现原先无法想象的动态空间。
以蓝色LED 光源为主要显示媒介的装置《水滴》（Water Drop ）就是一个典型的案例。该作品由英国伦敦的赫塞拉诺工作室设计制作，在乐家（ROCA）公司的经费支持下，于2008 年获得了“伦敦设计百分百展”（100% Design in London）的设计大奖。作品由36×36 根顶端嵌有蓝色LED 灯珠的金属杆阵列所构成，每根金属杆底端则采用经典的多级减速器传动装置连接。艺术家用计算机程序模拟了水波涟漪的视觉效果，并把“波纹”换算成位移数据传到由计算机精确控制的步进电机上来驱动每根金属杆的上下位移，从而在一个半封闭的暗室中呈现出完全不用一滴真实的水所表现出的“水波纹”运动之美。波动着的LED 不仅仅只是模拟自然现象，其尺度也放大了数十倍，在不同的尺度对比下，观众放佛直接进入并亲身体验到壮观的“水波”涟漪之美。作者希望借助技术手段把这种极具秩序感的空间运动用来模拟真实世界中水纹的波动现象，以此来表达了对水的敬意。
在观赏“水滴”的过程中，最炫目的莫过于这1200 多粒散发出海水般蓝色的LED 灯珠，它们完全成为了作品的主角。（图2）作品所采用的全彩LED 灯珠才能使作品收到作者预期的光色效果并表现出相应的空间尺度。（图3）众所周知，计算机采用的RGB 色通过对红(R)、绿(G)、蓝(B) 三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到16777216种几乎可以还原现实世界的所有颜色。全彩LED 也对应着R、G、B 这3 个引脚，对3 个引脚分别输入PWM 电压后理论上可以让LED 发出16777216 种光色。（图4）以《水滴》为代表，一大批以异形造型结合机械运动并最终由计算机程序驱动的带有光色变化、空间变换的电子艺术作品已经在各大国际展览中频频出现，伴随着当代最流行的“创客”风潮下，相信会有更多富有创意的作品不断涌现。
三、人机交互方式背后的LED
LED 可见光源的发展对新型显示设备的贡献有目共睹，而LED 发出的非可见光即红外线更是改变着当前甚至未来人类的生活方式。由光谱可知，人眼通常可感知的可见光波长范围在400 ～ 760 纳米之间（可见光波长由短到长依次为紫、蓝、青、绿、黄、橙、红），而红外LED则可发射出约850 ～ 980 纳米波长的红外线。虽然人眼感受不到，但具有夜视功能的摄像设备却可以清晰地捕捉到红外线照射下的物体。近年来在人机交互领域涌现出的多种足以改变人类生活方式的交互技术手段，也正是运用了LED 红外线的这一特性。
1. 抛弃键盘鼠标的输入方式——多点触摸
2005 年纽约大学杰夫·汉（Jeff Han）教授在TED 大会上的10分钟演讲给予了现场观众巨大的视觉震撼，演讲视频上传到Youtube后更是引爆了业界的轰动。他演示的是几个基于FTIR[4] 原理创作的、在当时看来极具创新意义的、以多点触摸交互方式为人机界面的计算机应用程序。这种使用各种自然手势来操作虚拟计算机界面的方式，完全把人从对鼠标、键盘的依赖中解放出来。多点触摸这种全新的交互方式迅速吊足了观众的胃口，杰夫·汉演示的这一系列应用也让观众立即体会到双手自由操作计算机的无限可能。（图5）仅1 年后，即2006 年底，iPhone 横空出世。虽然iPhone 所实现的多点触摸硬件并没有使用FTIR 技术，但这款由苹果公司出品的手机如此受欢迎的原因正是使用了具有革命意义的手势操作方式，杰夫·汉则是该交互技术的第一人。回过头来看，在iPhone 出世前市面上并没有多点触摸屏硬件的设计与生产，也没有与之匹配的人机操作系统。杰夫·汉是如何突破这一硬件技术瓶颈而且又实现了如此人性化的人机操作系统呢？这里就需要提及FTIR，学名为红外线受抑全内反射，即当光从光密媒质进入光疏媒质且入射角大于临界角时，在两媒质交界处将发生光的全内反射。杰夫·汉最先把这一光学现象应用到了触摸技术上。如图所示，在一块边缘打磨光滑且厚度大于8 毫米的亚克力板周围布置多个红外LED，当LED 发射这些红外线进入亚克力板后，光线在亚克力内不停多次反射而不会射到板外，这就形成了全内反射。当用户的手指接触到亚克力板表面时，全内反射被破坏，光线被手指反射出来。反射出来的红外线刚好被放置在亚克力板下方的红外摄像机所捕捉，在画面上形成多个亮点，通过相应算法消除干扰点、校准触摸位置后把这些亮点转换成为输入点，计算机程序分析这些输入点的位移变化后得出相应的用户手势，再执行相应的命令，最终完成人机交互。（图6、7）
TED 大会后，杰夫·汉在网上公开了基于FTIR 技术的多点触摸屏的硬件制作方法，这引来了国内外一大批硬件发烧友的尝试。其中最火爆的当属一位美国学生在Youtube 上公布的100 美元自制多点触摸屏的DIY 视频。国内外大量从事人机交互演讲的专业人员纷纷以此视频作为教程进行了各种实验，很快网络上也开设了专业论坛，对多点触摸屏的相关硬件制作技术进行了热烈讨论与分析，涌现了大量的设计方案与制作案例。但当时与多点触摸硬件热潮相对应的则是软件的匮乏，本着“开源”精神，国际上一干程序员们为此构建出了以Flash 为前台，用IBM 提供的开源开发包OpenCV 作为视频捕捉后台，再配合TUIO[5]传输协议所组合而成的系统，这也成为那一阶段最热门的支持多点触摸交互输入的基本系统架构。国内许多设计公司都是从那时开始进入交互设计领域的。2006 年基于FTIR 技术最成熟的商用多点触摸设备莫过于微软公司的桌面Surface，这是一张可以在家庭聚会、酒吧、餐厅等场所适合三五亲友分享信息的多人操作桌面，它从研发到推广一直都吸引着众多行内人的关注，同时也伴随着大量的山寨产品。可惜随着苹果公司iPhone、iPad 的上市及风靡全球，微软的桌面Surface 始终没有正式上市。究其原因，在于虽然FTIR 方式的硬件成本相对其大尺寸触摸屏幕来说已经非常低廉，但其依靠红外摄像机捕捉触点所反射红外线的原理，易受到外部环境光源的干扰，使得整个系统并不稳定。与iPhone、iPad 上流畅的手势操作相比存在一定差距。经过几年的技术优化且收购了杰夫·汉创办的Perceptive Pixel 公司后，微软今年将推出整合了Win10 操作系统的Surface Hub 这一全新大尺寸（约82 英寸）桌面Surface 硬件，但在网络上却再难以搜索到Surface 最初使用FTIR 技术的相关页面与资讯了。（图8）
2. 从平面到空间的手势输入——精准的体感控制
目前，虽然采用FTIR 技术的多点触摸设备逐渐式微，但红外LED却没有退出历史舞台。它们被嵌入到2012 年末全球最炙手可热的科技产品——Leap Motion 之中, 这是一款外观小巧但工作精度可达0.01毫米的桌面体感设备。Leap Motion 关注到了用户与电脑间的开阔空间，把这一区域转化为双手和手指的舞台。不论它们的每一次移动多么细微，又或是多么大幅度，Leap Motion 控制器都能精确追踪。从技术上说，这是一个 8 立方英尺的可交互式 3D 空间，更接近人的立体手势而不再仅仅是平面上的手指位移。
Leap Motion 控制器的组成非常简单：两个高帧率摄像头、三个红外LED 灯，以及一块USB3.0 芯片。控制器中的红外LED 灯将发射出某一波长的红外光线并提供满足感应空间所需的红外照明。以两个摄像头为基础硬件的Leap Motion，其可视范围是一个倒金字塔，塔尖在设备中心。Leap Motion 在推出伊始，业界对它能够如此精确地识别手指手势、物品感到惊叹的同时也在揣测其技术原理。Leap Motion 的硬件并无特殊之处，关键在于其强大的视觉分析系统。Leap Motion 采用笛卡尔右手坐标系，当检测到手、手指、工具或手势时，系统将为它分配一个唯一的ID 指示符，只要该实体一直在Leap Motion 的可视范围内，此ID 将保持不变。若该目标丢失或失而复得，系统也将会分配一个全新的ID。除上述追踪功能外，Leap Motion 分析总体运动趋势的算法也值得称赞。它通过捕捉到的当前帧与之前一个特别帧进行对比，得出相关的帧运动信息，包括旋转、缩放、位移等等。Leap Motion 的出现，填补了近距离体感操作这一人机交互领域的空白。（图9、10）
四、对LED 未来发展的思考
在人机交互方面，随着人工智能技术的应用普及，特别是机器视觉技术的广泛使用，一大批以体感操作为交互方式的智能设备（如国内的乐视、小米电视与以Xbox360 Kinetic 为代表的支持体感操作的游戏机等）已迅速进入广大百姓的家庭生活，并得到了用户的广泛好评。LED红外灯已成为这类智能设备中捕捉稳定图像所标配的硬件组成。移动芯片计算能力的提升、无线传输速率的提高、更多传感器的嵌入，以及机器视觉[6] 能力的增强，在各种设备智能化的同时，也就会相应提出更加智能的人机交互方式。相信未来红外LED 与人机交互最重要的研究方向——自然用户界面[7]（Natural User Interface）之间会有更紧密地结合。
近年热炒的智能家居概念，也将会是LED 未来的主秀场。飞利浦最近推出的Hue 系列智能灯、YeeLink 联合小米研发的YeeLight 都是对LED 照明的智能化应用。除了在硬件上集成了蓝牙传输外，又增加了其他如亮度、湿度等传感器，同时配合简单易用的App，使用户可以远程、轻松且人性化地变化家中的照明氛围。这些产品也可以看作智能家居中智能照明系统在目前阶段的尝试与应用。（图11、12）
从20 世纪60 年代第一个LED 商业产品问世到现在不过半个世纪，无论是LED 可见光源或LED 不可见光源，也都基本遵循摩尔定律，每流明成本每年下降约20%。虽然目前在国内通用照明领域的渗透率仅为5%，但LED 产业其实早已进入多个国家的重点发展计划，如美国的“国家半导体照明研究计划”、日本的“21 世纪的光照明”、我国的“十城万盏半导体照明应用工程”等。LED 作为一个新兴产业，虽然目前还存在核心技术依赖进口、没有国际性标准、行业整体成本较高等问题，但LED 自身所拥有的众多技术优势将会拥有广阔的发展前景和巨大商机。
注释：
[1] 王赐然：《大话LED》，中国电力出版社，北京，2011，第4-6 页。
[2] 林伯强：《2011 中国能源发展报告》，清华大学出版社，北京，2011，第94-96 页。
[3] 中村修二（Shuji Nakamura），蓝光LED 发明人，2003 年入选美国国家工程院院士，他获得过100 多项专利并发表200 多篇论文。2014 年10 月7 日赤崎勇、天野弘和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014 年诺贝尔物理学奖。
[4]FTIR，是英文Frustrated Total Internal Reflection 的缩写，即受抑全内反射原理。杰夫·汉教授主导的多点触摸技术最早使用的触摸屏以受抑全内反射原理制作，Microsoft 第一代桌面surface 也采用了该技术。
[6] 机器视觉，即用机器代替人眼做测量和判断，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。
[7] 自然用户界面NUI（Natural User Interface）是相对图形用户界面GUI（Graphic UserInterface）而言的，NUI 只要求用户能以最自然的交流方式与机器互动，多点触摸技术的引入让更多用户体验到了NUI 理论。
参考文献：
[1] 林伯强：《2011 中国能源发展报告》，清华大学出版社，北京，2011。
[2]（美）Nick Dossis ：《炫彩LED 创意制作》，科学出版社，北京，2014。
[3] 王赐然：《大话LED》，中国电力出版社，北京，2011。
[4] 田民波、朱焰焰：《白光LED 照明技术》，科学出版社，北京，2012。
[5] 马卫星：《现代照明设计方法与应用》，北京理工大学出版社，2014。
[6] 迟楠：《LED 可见光通信技术》，清华大学出版社，北京，2013。
[7] 杨绍胤：《LED 照明工程设计与施工》，中国电力出版社，北京，2013。[8] 杨清德：《LED 照明工程与施工》，金盾出版社，北京，2009。
