三維數(shù)字技術(shù)在數(shù)字地震科普館網(wǎng)站中的應(yīng)用＊

孫春仙 梁凱利 周小潭

1）江蘇省地震局，江蘇南京210014

2）山東省地震局，山東濟(jì)南250021

三維數(shù)字技術(shù)在數(shù)字地震科普館網(wǎng)站中的應(yīng)用＊

孫春仙1）梁凱利2）周小潭1）

1）江蘇省地震局，江蘇南京210014

2）山東省地震局，山東濟(jì)南250021

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是三維及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，用網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)手段對(duì)各地的地震科普館進(jìn)行數(shù)字化改造，建成基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化科普館系統(tǒng)，對(duì)于加強(qiáng)防震減災(zāi)科普宣傳、普及防震減災(zāi)理念、共享防震減災(zāi)資源，具有極其重要的意義。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；三維；數(shù)字技術(shù)；科普；網(wǎng)站

引言

2011年9月1日，江蘇省數(shù)字地震科普館正式發(fā)布（http：∥218.94.123.110／web／index.jsp）。該數(shù)字場(chǎng)館一上線，就得到國(guó)內(nèi)及江蘇省各級(jí)政府、公眾的普遍關(guān)注。作為全國(guó)為數(shù)不多的數(shù)字地震科普?qǐng)鲳^，江蘇省數(shù)字地震科普館以三維數(shù)字技術(shù)為依托，整合江蘇省地震局和南京市地震科普館多年積累的信息資源，把地震場(chǎng)館中的儀器、設(shè)備等進(jìn)行了3D建模，三維仿真，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形、圖像或相關(guān)過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)合地理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及心理學(xué)等方面的特點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)。在場(chǎng)景中瀏覽者可以隨意參觀、瀏覽和體驗(yàn)數(shù)字化地震科普館內(nèi)的虛擬模型、地震災(zāi)難發(fā)生等動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程，同時(shí)也可以通過(guò)游戲來(lái)學(xué)習(xí)和掌握防震和地震應(yīng)急的措施。該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)科學(xué)的虛擬場(chǎng)館結(jié)構(gòu)與相關(guān)信息點(diǎn)文字、圖片和多媒體信息相鏈接，實(shí)現(xiàn)了地震科普知識(shí)的科學(xué)性和趣味性。

三維虛擬仿真通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，渲染出精良的三維立體空間，避免了圖片的平面單一性，表達(dá)的效果更加震撼。瀏覽者可以在三維立體的空間場(chǎng)景進(jìn)行任意角度的觀看、探索和體驗(yàn)，使人馬上下意識(shí)地投入和沉浸在場(chǎng)景的觀察和探索之中。

1 地震科普館現(xiàn)狀及三維數(shù)字技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)體地震科普館的現(xiàn)狀

隨著社會(huì)文化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全國(guó)各地都建成了大量的科普?qǐng)鲳^。江蘇省共有157個(gè)科普示范學(xué)校，43個(gè)省級(jí)科普基地，其中，國(guó)家級(jí)科普基地7個(gè)。在防震減災(zāi)意識(shí)深入人心的今天，地震科普館的數(shù)量也越來(lái)越多，它們的作用像學(xué)校一樣不可或缺，為公眾提供學(xué)習(xí)的場(chǎng)所。但目前大多數(shù)地震科普館存在展館面積有限、展品更新慢，除了科普展板和一些老舊的不能展示的儀器設(shè)備外新東西不多，以及交通不便、宣傳力度不強(qiáng)等問(wèn)題。

1.2 數(shù)字地震科普館的現(xiàn)狀

目前，網(wǎng)絡(luò)上存在很多形式的數(shù)字化地震科普知識(shí)，其宣傳手段，還停留在文字、圖片或宣傳短片的形式上，缺乏對(duì)青少年及瀏覽者的吸引，從而降低了大眾對(duì)科普知識(shí)的理解力。資源分散，沒(méi)有統(tǒng)一的防震減災(zāi)宣傳口徑，缺乏有效的更新維護(hù)，生動(dòng)性、有趣性、互動(dòng)性都有待改善。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）又稱臨境技術(shù)，是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界（virtual world）的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合應(yīng)用各種技術(shù)來(lái)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維設(shè)備與物體接觸，從而真正地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。簡(jiǎn)單地說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)世界，三維環(huán)境下的實(shí)時(shí)性和可交互性是其主要特征[1]。

因此，三維數(shù)字技術(shù)將會(huì)引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，使生產(chǎn)、服務(wù)、教育、生活等領(lǐng)域發(fā)生全面深刻的變革。網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加引起人們普遍的關(guān)注，人們對(duì)它寄予厚望，希望利用這個(gè)技術(shù)可以使世界各地的人們?cè)谌S環(huán)境下交流。網(wǎng)絡(luò)三維虛擬技術(shù)是將圖文、音視頻、Flash動(dòng)畫(huà)、全景、數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬現(xiàn)實(shí)完美地結(jié)合起來(lái)，在網(wǎng)絡(luò)上搭建一個(gè)虛擬的三維環(huán)境，可以不受時(shí)間和空間的限制，將一個(gè)真實(shí)而生動(dòng)的小世界展示在瀏覽者面前，讓用戶體驗(yàn)到豐富有趣的場(chǎng)景漫游和逼真的互動(dòng)操作，將抽象的事物以生動(dòng)、直觀、互動(dòng)的形式展現(xiàn)出來(lái)，再配以動(dòng)聽(tīng)的三維聲效，讓網(wǎng)絡(luò)瀏覽者仿佛經(jīng)歷一次真正的現(xiàn)實(shí)之旅。概括地說(shuō)，三維數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)上流轉(zhuǎn)的已不僅僅是單純的信息，而是可以在“3D網(wǎng)頁(yè)”中開(kāi)展人與人、人與物的深層次交互活動(dòng)，具有了深刻的過(guò)程特性[2]。

1.4 三維數(shù)字技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)地震科普館中的應(yīng)用

數(shù)字化地震科普館的建立，加強(qiáng)了江蘇省防震減災(zāi)的信息化建設(shè)，暢通了交流渠道。另外，通過(guò)網(wǎng)站為用戶提供地震科普知識(shí)，加強(qiáng)防震減災(zāi)意識(shí)，是人們?yōu)榉乐?、減輕、避免和抗御地震災(zāi)害而采取的社會(huì)行為，是人類在自然災(zāi)害面前所建立起來(lái)的以預(yù)防為主的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略手段。

1.5 三維數(shù)字地震科普館的優(yōu)勢(shì)及與實(shí)體館的關(guān)系

（1）范圍廣、時(shí)效長(zhǎng)。互聯(lián)網(wǎng)是面向全球的，無(wú)論何時(shí)何地，只要登錄相關(guān)網(wǎng)站，都可以進(jìn)行瀏覽。

（2）傳播多元化。瀏覽者在網(wǎng)上數(shù)字地震科普館的漫游，可以按照各自不同的出發(fā)點(diǎn)，主動(dòng)地參與到場(chǎng)館中，而不再是被動(dòng)地接受內(nèi)容，形成良好的互動(dòng)關(guān)系。

（3）與實(shí)體館互為補(bǔ)充。三維數(shù)字網(wǎng)上科普館不只是現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體科普館的簡(jiǎn)單復(fù)制，而是實(shí)體科普館的補(bǔ)充和延伸，是實(shí)體科普館在互聯(lián)網(wǎng)上的一扇“窗口”。沒(méi)有到過(guò)實(shí)體科普館的人可以借助三維數(shù)字網(wǎng)上科普館了解相關(guān)的地震信息，增加去實(shí)體科普館的興趣；而到過(guò)實(shí)體科普館的人們可以增加二次瀏覽的機(jī)會(huì)；同時(shí)，三維數(shù)字網(wǎng)上科普館可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體館中不可觸摸的互動(dòng)，借助虛擬方式得到有效的補(bǔ)充。

2 江蘇省數(shù)字地震科普館中虛擬三維技術(shù)的應(yīng)用

2.1 3D建模

3D建模通俗來(lái)講就是利用三維制作軟件，通過(guò)虛擬三維空間，構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。

本館中我們用到了3Ds MAX以及Maya兩款強(qiáng)大的3D軟件。3D Studio Max，常簡(jiǎn)稱為3Ds Max或MAX，是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。而Maya則集成了Alias／Wavefront最先進(jìn)的動(dòng)畫(huà)及數(shù)字效果技術(shù)，它不僅包括一般三維和視覺(jué)效果制作的功能，而且還與最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合。Maya可在Windows NI與SGI IRIX操作系統(tǒng)上運(yùn)行，是目前市場(chǎng)上用來(lái)進(jìn)行數(shù)字和三維制作工具中的首選解決方案。

江蘇省數(shù)字地震科普館中的儀器設(shè)備就是采用了3D建模的方式來(lái)演示的（圖1）。一方面360°全景展示逼真形象的儀器設(shè)備，擺脫了實(shí)體場(chǎng)館老舊儀器殘破的形象；另一方面，也保證了操作的有效性，不再有儀器維修的后顧之憂。

圖1 江蘇省數(shù)字地震科普館的儀器三維模型

2.2 3D動(dòng)畫(huà)

3D動(dòng)畫(huà)也叫三維動(dòng)畫(huà)，是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新興技術(shù)。三維動(dòng)畫(huà)軟件在計(jì)算機(jī)中首先建立一個(gè)虛擬的世界，設(shè)計(jì)師在這個(gè)虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)對(duì)象的形狀尺寸建立模型及場(chǎng)景，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運(yùn)動(dòng)軌跡、虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)和其他動(dòng)畫(huà)參數(shù)，最后按要求為模型賦上特定材質(zhì)，并打上燈光。當(dāng)這一切完成后，就可以讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算，生成最后的畫(huà)面。江蘇省數(shù)字地震科普館不僅在網(wǎng)站整體中應(yīng)用三維動(dòng)畫(huà)（圖2），還創(chuàng)造出了一些動(dòng)畫(huà)的原型，例如視頻《皮皮歷震記》中的皮皮及相關(guān)的小朋友們，為今后科普作品的延展奠定了基礎(chǔ)。

2.3 Flash動(dòng)畫(huà)

Flash是一種交互式動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)工具，用它可以將音樂(lè)、聲效、動(dòng)畫(huà)以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品質(zhì)的網(wǎng)頁(yè)動(dòng)態(tài)效果。由于HTML語(yǔ)言的功能十分有限，無(wú)法達(dá)到人們的預(yù)期設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)令人耳目一新的動(dòng)態(tài)效果。在這種情況下，各種腳本語(yǔ)言應(yīng)運(yùn)而生，使得網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)更加多樣化。Flash具有跨平臺(tái)的特性，所以無(wú)論你處于何種平臺(tái)，只要可以安裝運(yùn)行Flash Player，就能保證它們的最終顯示效果都一致。而不必像在以前的網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)中那樣為IE和Mozilla或Netscape各設(shè)計(jì)一個(gè)版本，同Java一樣，F(xiàn)lash的可移植性很強(qiáng)。

圖2 江蘇省數(shù)字地震科普館的3D場(chǎng)景

在江蘇省數(shù)字地震科普館中，F(xiàn)lash動(dòng)畫(huà)的應(yīng)用較為普遍，大部分的頁(yè)面采用Flash效果（圖3），以期達(dá)到吸引網(wǎng)民的作用，在潛移默化中實(shí)現(xiàn)防震減災(zāi)科普知識(shí)的宣傳。

圖3 江蘇省數(shù)字地震科普館中的Flash頁(yè)面表現(xiàn)

2.4 Flash游戲

目前Flash Player占據(jù)了90%互聯(lián)網(wǎng)用戶的瀏覽器，所以受眾面很廣。通過(guò)三維仿真演示技術(shù)和三維互動(dòng)游戲，可以模擬真實(shí)場(chǎng)景和各種真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程，讓瀏覽者更真實(shí)地體驗(yàn)地震的產(chǎn)生原因和所帶來(lái)的災(zāi)害性損失；同時(shí)也可以通過(guò)模擬地震現(xiàn)場(chǎng)，讓瀏覽者通過(guò)互動(dòng)操作，加強(qiáng)地震的前兆觀察能力和抗御地震的應(yīng)急能力。

圖4 江蘇省數(shù)字地震科普館的Flash游戲

在江蘇省數(shù)字地震科普館中，開(kāi)發(fā)了兩個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)是地鐵中，一個(gè)是大學(xué)生宿舍樓里（圖4）。在不同的場(chǎng)景中，設(shè)置了不同的應(yīng)急處理方式，全部回答正確才能通關(guān)，否則，將重新開(kāi)始游戲。這樣一種寓教于樂(lè)的方式，把枯燥的防震減災(zāi)知識(shí)融匯貫通，使網(wǎng)民可以切實(shí)掌握真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)急處理辦法。

2.5 三維數(shù)字技術(shù)在地震科普知識(shí)傳播方面的特點(diǎn)

（1）想象性與細(xì)節(jié)的展現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造的虛擬環(huán)境既可以是宏觀上的大型建筑，甚至是宇宙中的行星系，又可以是微觀的分子、細(xì)胞。因此，人們可以任意想象所需要展現(xiàn)的細(xì)節(jié)，通過(guò)虛擬環(huán)境來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。以地震科普教育為例，從宏觀上來(lái)講，可以通過(guò)實(shí)時(shí)模擬地球的變化來(lái)展示地震的過(guò)程；從微觀上的應(yīng)用來(lái)講，可以通過(guò)模擬人們生活中的地震情景，讓人們得到更真實(shí)的感受，并從中學(xué)到相關(guān)的地震科普知識(shí)。在江蘇省地震局?jǐn)?shù)字地震科普館中，儀器知識(shí)館就充分體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。

（2）與虛擬環(huán)境的交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過(guò)各種交互設(shè)備，使用戶與虛擬環(huán)境發(fā)生互動(dòng)。這與傳統(tǒng)三維動(dòng)畫(huà)的靜態(tài)播放有著本質(zhì)的不同。其次，虛擬環(huán)境通過(guò)模擬真實(shí)物理世界的情況，使得人與它的互動(dòng)更具真實(shí)性。在地震科普教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓人們親身參與了解地震發(fā)生的過(guò)程，在實(shí)際的虛擬中，學(xué)會(huì)避震逃生常識(shí)，了解災(zāi)后的救援工作。用戶還可以通過(guò)實(shí)際操作一些簡(jiǎn)單的地震儀器，來(lái)深入了解地震的基礎(chǔ)知識(shí)，更具趣味性與參與感。在江蘇省地震局?jǐn)?shù)字地震科普館中，地震體驗(yàn)館就可以充分地展示虛擬的地震環(huán)境。

（3）親身體驗(yàn)的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)三維顯示技術(shù)，及各種設(shè)備展示，為人們營(yíng)造出置身于其中的感觀體驗(yàn)。使受眾可以更直觀地感受到虛擬環(huán)境及虛擬環(huán)境中的物品。在地震科普教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓人們從多維的視角去了解地震的一些基本知識(shí)。

（4）具有可重復(fù)使用性和可傳播性。在傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中，由于教具的限制和地震活動(dòng)本身的特點(diǎn)，許多演示活動(dòng)將具有很大的局限性和帶來(lái)一定的資源消耗。而通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，地震科普教育可以使教學(xué)過(guò)程和場(chǎng)景具有可重復(fù)多次使用的特點(diǎn)。此外，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建于互聯(lián)網(wǎng)上，使得科普知識(shí)的傳播更具有傳播面積廣、影響力大的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）發(fā)布的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，截至2010年12月底，中國(guó)網(wǎng)民規(guī)模已達(dá)到4.57億，互聯(lián)網(wǎng)普及率攀升至34.3%，手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模為3.03億。對(duì)于越來(lái)越多的年輕網(wǎng)民來(lái)說(shuō)，到真實(shí)場(chǎng)館中體驗(yàn)防震減災(zāi)科普知識(shí)的時(shí)間越來(lái)越少。而現(xiàn)在的防震減災(zāi)科普網(wǎng)站也必將被更形象生動(dòng)、互動(dòng)性更強(qiáng)的三維數(shù)字網(wǎng)站所取代，無(wú)時(shí)間無(wú)空間限制地暢游3D互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)世界，使得三維數(shù)字地震科普館真正體現(xiàn)出其最有價(jià)值的一面，也將延伸到防震減災(zāi)宣傳的更多領(lǐng)域！

[1] 黃建萍.三維數(shù)字技術(shù)在博物館網(wǎng)站中的應(yīng)用.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（9）：44－45，47

[2] 高川.由網(wǎng)上世博會(huì)展望虛擬現(xiàn)實(shí)的未來(lái)發(fā)展.今日科苑，2010（8）：75

Application of three－dimensional digital technology in the website of digital earthquake museum

Sun Chunxian1），Liang Kaili2），Zhou Xiaotan1）
1）Earthquake Administration of Jiangsu Province，Nanjing 210014，China
2）Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250021，China

With the development of information technology，especially the three－dimensional and network technology，digital transformation of the traditional earthquake museum using the network technology of virtual reality is becoming popular.It is significant to build the digital museum system for strengthening the popular science propaganda of earthquake prevention and disaster mitigation，popularizing the awareness and sharing related resources of earthquake prevention and disaster mitigation.

virtual reality technology；3D；digital technology；popular science；website

P315.9；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.11.010

2012－02－09；

2012－03－26。

江蘇省經(jīng)信委、財(cái)政廳項(xiàng)目，江蘇防震減災(zāi)公共服務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目（2008預(yù)0025號(hào)）資助。

（作者電子信箱，孫春仙：scxcat＠gmail.com）