VR技術(shù)在科技館展品中的應(yīng)用改造

陳戈

【摘 要】科技館是公益性的科普教育場(chǎng)所，是公民科學(xué)素質(zhì)提升的重要陣地。論文以福建省科技館在建設(shè)新館過(guò)程中將陳設(shè)性展品改造升級(jí)為虛擬現(xiàn)實(shí)展品為例，對(duì)虛擬技術(shù)的概念、特性、開(kāi)發(fā)環(huán)境等進(jìn)行分析，闡述VR展品開(kāi)發(fā)過(guò)程的問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)步驟。

【Abstract】Science and technology museum is a public good science education place， and it is an important position for improving citizen's scientific quality. This paper takes the process of upgrading reconstruction in Fujian Science and Technology Museum as an example， in this museum， they upgrade the furnishings to virtual reality display in the process of new museum construction， paper analyzes the concept and characteristics and development environment of virtual technology， elaborates the problems and implementation steps in the process of VR exhibits development.

【關(guān)鍵詞】科技館；展品改造；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

【Keywords】science and technology museum； exhibits transformation； virtual reality technology

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP391 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0141-04

1 VR概述

1.1 定義

VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)），1989年由美國(guó)人J.Lanier提出，VR技術(shù)就是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備（如VR眼鏡、傳感器）等，產(chǎn)生一種可以通過(guò)人的感知器官與之互動(dòng)的三維虛擬環(huán)境，使人可以沉浸其中，忘記現(xiàn)實(shí)的存在，是一種較之以往技術(shù)更為先進(jìn)的人機(jī)交流界面，故又稱(chēng)之為幻境或靈境技術(shù)。

VR技術(shù)雖然已經(jīng)提出二三十年，但它主要應(yīng)用于軍事、科研領(lǐng)域，目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理能力的提高，VR技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)，其高精度、通用性、價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)也逐漸突顯，這為VR技術(shù)進(jìn)入科普領(lǐng)域提供了可能。2017年1月15日，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展的意見(jiàn)》中指出，加緊人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、微機(jī)電系統(tǒng)等新興移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的布局，這為VR技術(shù)的推廣和發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。目前，VR技術(shù)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析一起成為人類(lèi)認(rèn)知自然規(guī)律的三大手段。

1.2 VR的特性

1.2.1多感知性

真正的VR技術(shù)應(yīng)該具備人類(lèi)感知的全部功能，它可以模擬人的觸覺(jué)、力覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)知覺(jué)等。但目前味覺(jué)、嗅覺(jué)感知還無(wú)法模擬，其感知范圍和靈敏度也無(wú)法與人類(lèi)相比。

1.2.2 沉浸感

沉浸感是指用戶(hù)通過(guò)電腦上產(chǎn)生的3 D虛擬環(huán)境，體驗(yàn)身臨其境的感覺(jué)，其真實(shí)程度越高，用戶(hù)越可以更充分地進(jìn)入虛擬世界，所謂的“沉浸”體驗(yàn)感就越強(qiáng)。

1.2.3 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性利用的是在虛擬環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)程度與現(xiàn)實(shí)中物體運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)規(guī)律相符。也就是說(shuō)，根據(jù)計(jì)算機(jī)操作員的要求，虛擬對(duì)象可以根據(jù)各自模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)則實(shí)時(shí)響應(yīng)。

1.2.4 交互性

它是指操作者在使用VR設(shè)備時(shí)，其對(duì)操作者的動(dòng)作能否能做出自然、快速、符合規(guī)律的反應(yīng)，另外，交互性與實(shí)時(shí)性是不可分割的。

1.3 VR技術(shù)應(yīng)用在科普教育中的意義

①實(shí)體科普?qǐng)鏊枰度氪罅康馁Y金設(shè)備且占地面積大，設(shè)備運(yùn)輸、維護(hù)不便，VR技術(shù)的應(yīng)用可減少在科教硬件設(shè)備上的投入，且維護(hù)成本低廉；

②VR技術(shù)可打破時(shí)間與空間的限制，應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界中不可能接近地域和事物的探索，如星際空間、月球、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等；

③VR技術(shù)可應(yīng)用于危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)和需要長(zhǎng)時(shí)間才能有效測(cè)量的實(shí)驗(yàn)；

④VR技術(shù)可在想象的空間與真實(shí)的人進(jìn)行交流；

⑤VR技術(shù)可支持重復(fù)設(shè)計(jì)，以減少實(shí)驗(yàn)成本；

⑥VR技術(shù)可與歷史人物等虛擬人進(jìn)行交流。

2 VR的硬件設(shè)備與軟件技術(shù)

2.1 VR硬件設(shè)備

①建模設(shè)備（3D掃描儀），也稱(chēng)為三維立體掃描儀，用于捕捉物體表面的三維坐標(biāo)和物體的三維數(shù)字模型[1]。該設(shè)備可用于逆向工程、快速成型、三維檢測(cè)（機(jī)器視覺(jué)測(cè)量）等。

②三維視覺(jué)顯示裝置（如VR頭盔）是利用左右眼獲取環(huán)境信息的差異，產(chǎn)生立體三維的圖像，讓使用者置身于虛擬環(huán)境之中，它具有小而封閉的特點(diǎn)，在仿真軍訓(xùn)、模擬駕駛、虛擬展館等項(xiàng)目中有著廣泛應(yīng)用。

③聲音設(shè)備（如三維立體音效系統(tǒng)），這種系統(tǒng)可以根據(jù)聲音對(duì)人體所產(chǎn)生的反射，跟蹤、定位操作者頭部的位置， 使聲音隨著操作者位置的變化而相應(yīng)做出變化，從而得到高仿真的三維立體音效。

④交互設(shè)備（人機(jī)交互設(shè)備），其主要包括數(shù)據(jù)手套、操縱桿以及運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)手套是一種較常見(jiàn)的三維交互工具。它運(yùn)用磁定位傳感器來(lái)感受手指的動(dòng)作和精確手在空間中的位置，從而在虛擬環(huán)境可以自由抓取、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)物體。

目前市面上運(yùn)用最多是的藍(lán)牙操縱桿，它通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議與VR顯示設(shè)備連接，使用戶(hù)可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行前后上下左右多維度的操控，適用于虛擬飛行等操作。endprint

在與VR系統(tǒng)的交互中，設(shè)備需要確認(rèn)操作者的方位姿勢(shì)、運(yùn)動(dòng)的方向軌跡，并將監(jiān)測(cè)的結(jié)果傳輸給顯示系統(tǒng)和操控系統(tǒng)，從而有效模擬出人體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到人機(jī)互動(dòng)的目的。

2.2 VR軟件

VR軟件指的是制作開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三維圖形圖像處理軟件。開(kāi)發(fā)者一般先研發(fā)出核心引擎，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同用戶(hù)的需求，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

2.2.1 VRP虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器

VRP虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器主要運(yùn)用于虛擬場(chǎng)景的3D模型導(dǎo)入和交互制作、特效制作、后期編輯、界面設(shè)計(jì)、打包發(fā)布等，適用于虛擬展館、景點(diǎn)漫游等場(chǎng)景制作。

2.2.2 Unity3D

Unity3D是一款能是全面整合3D游戲引擎的多平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具。它能在設(shè)計(jì)階段，將各種不同設(shè)計(jì)軟件所產(chǎn)生的三維模型，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)制成虛擬展示的場(chǎng)景主體模型，再通過(guò)模型識(shí)別和LOD高階渲染等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3D模型的在線(xiàn)虛擬展示。

2.2.3 VRPIE互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

VRPIE互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可直接面向所有互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)，能將3D場(chǎng)景編輯器制作的作品上傳到網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)可在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)3D虛擬場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)瀏覽。

2.2.4 VRP-MUSEUM虛擬展館

VRP-MUSEUM虛擬展館可將傳統(tǒng)博物館、科技館展品展項(xiàng)的三維模型移植到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)觀眾足不出戶(hù)就可以在線(xiàn)上進(jìn)行數(shù)字虛擬展館的參觀游覽。

3 VR技術(shù)的缺點(diǎn)

第一，VR技術(shù)雖然在硬件方面獲得了較大進(jìn)步，但在用戶(hù)的沉浸感體驗(yàn)上還存在著許多缺失，問(wèn)題主要集中在：

①屏幕分辨率：目前市面上的VR眼鏡分辨率一般在1080P-2K，而如果人眼在觀看時(shí)無(wú)強(qiáng)烈的顆粒感，需要屏幕分辨率需達(dá)4K以上；

②屏幕刷新率與延遲：由于畫(huà)面刷新速度慢，肉眼在觀看時(shí)會(huì)感到畫(huà)面延遲拖沓，從而造成頭暈。當(dāng)屏幕刷新率達(dá)到60HZ以上，且圖像從GPU處理完發(fā)送到屏幕的時(shí)間在20毫秒以?xún)?nèi)，才不會(huì)造成人眼的眩暈；

③可視角度：正常狀態(tài)下，人眼最輕松的掃描一眼的橫向幅寬為120度，極限接近180度。這就決定了我們大部分瀏覽行為是橫向掃描。目前VR眼鏡可視范圍太小，達(dá)不到120度，眼球運(yùn)動(dòng)很容易就越過(guò)可視過(guò)界，影響觀看體驗(yàn)和沉浸感；

④輕盈度：目前市面上VR眼鏡多為500g左右，較為笨重，長(zhǎng)時(shí)間佩戴會(huì)產(chǎn)生壓迫感和不適感；

⑤交互方式：目前運(yùn)用較多的是藍(lán)牙遙控器，交互方式不自然；

⑥眩暈感：普遍存在，易造成用戶(hù)不適，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間佩戴，青少年的視力處于發(fā)育階段，因此頭戴設(shè)備不適合12歲以下兒童使用。

第二，內(nèi)容上的短板：

①VR的內(nèi)容偏少，且多為娛樂(lè)游戲內(nèi)容，針對(duì)青少年開(kāi)發(fā)的科普內(nèi)容更是少之又少，目前VR內(nèi)容還沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且未出現(xiàn)里程碑式的作品；

②現(xiàn)有的VR內(nèi)容不管是在故事敘述上，還是交互體驗(yàn)上，都與以往的娛樂(lè)游戲并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別[2]。

4 VR展品開(kāi)發(fā)中需要解決的問(wèn)題

①以假亂真的模擬技術(shù)。如何合成與人體器官感覺(jué)一致的信息輸入，即如何產(chǎn)生出與真實(shí)環(huán)境相同的感觀、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等體驗(yàn)。

②相互作用。觀察者可以主動(dòng)、有力地操作VR設(shè)備，以獲得不同的視點(diǎn)和更高層次的感知信息，也就是怎么可以看得更像，聽(tīng)得更真等。

③自律性現(xiàn)實(shí)。用戶(hù)在體會(huì)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感而無(wú)意識(shí)自己的動(dòng)作和行為，這需要用戶(hù)與傳感器、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的交互流程。

④快速生成圖像的實(shí)時(shí)感。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，圖像并不是一成不變的，它會(huì)隨著用戶(hù)眼部位置的改變而實(shí)時(shí)改變，就這要求VR系統(tǒng)以每秒30幀以上的速度生成圖像，并配有實(shí)時(shí)音效，才能使用戶(hù)達(dá)到身臨其境之感。

5 福建省科技館改造升級(jí)“殲七”戰(zhàn)斗機(jī)VR互動(dòng)展品的實(shí)例分析

5.1 充分了解改造原型

對(duì)改造對(duì)象進(jìn)行深入研究，弄清模擬對(duì)象的工作原理，這是至關(guān)重要的一環(huán)。只有對(duì)模擬對(duì)象的工作原理有了清晰的認(rèn)識(shí)后，才可充分理解其工作的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為以后的設(shè)計(jì)腳本奠定基礎(chǔ)。如福建省科技館將館藏殲七戰(zhàn)斗機(jī)改造為VR展品前，做了大量的深入調(diào)查，聘請(qǐng)航空方面的專(zhuān)家作為顧問(wèn)，為展品的落地提供了技術(shù)保障。殲七系列戰(zhàn)斗機(jī)是我國(guó)自行研制、大量裝備、批量出口的一款優(yōu)秀的第二代戰(zhàn)斗機(jī)，已有近50年歷史。該飛機(jī)退役后由成都飛機(jī)制造廠(chǎng)捐贈(zèng)給福建省科技館作為科教展品。原展品僅作為模型供游客參觀，沒(méi)有任何互動(dòng)方式。福建省科技館利用新館建設(shè)的契機(jī)，將這件展品改造升級(jí)為VR互動(dòng)展品。改造后，參觀者可在工作人員的協(xié)助下進(jìn)入戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)，戴上仿真飛行員頭盔（3DVR眼鏡頭盔），通過(guò)控制操作手柄進(jìn)行虛擬空戰(zhàn)，享受沉浸式的模擬駕駛體驗(yàn)。

5.2 策劃展品文案

策劃展品的文案，對(duì)展品的表現(xiàn)形式、展示方式、觀眾體驗(yàn)流程圖、操作說(shuō)明、技術(shù)方案、軟件流程圖等進(jìn)行描述[3]。

①表現(xiàn)形式：展項(xiàng)結(jié)合真實(shí)的戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙，讓參觀者佩戴3DVR眼鏡頭盔在殲7-Ⅱ型戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙內(nèi)，進(jìn)行90s左右的虛擬空戰(zhàn)追逐，感受戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的駕駛視野，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，寓教于樂(lè)。

②展示方式：參觀者可在殲7-Ⅱ型戰(zhàn)斗機(jī)艙外進(jìn)行拍照合影，也可以直接進(jìn)入座艙佩戴3DVR眼鏡頭盔，通過(guò)控制操作手柄進(jìn)行虛擬空戰(zhàn)體驗(yàn)。

③觀眾體驗(yàn)流程圖：

[RFID門(mén)票

感應(yīng)進(jìn)入

管制區(qū)][佩戴仿真

飛行員

頭盔][親友協(xié)

助拍照

留念][進(jìn)入

駕駛艙][協(xié)助佩

戴3DVR

眼鏡][操作手柄進(jìn)行模擬空戰(zhàn)][離開(kāi)游戲管制區(qū)]endprint

④操作說(shuō)明

. RFID門(mén)票感應(yīng)進(jìn)入游戲管制區(qū)；

.佩戴仿真戰(zhàn)斗機(jī)飛行員頭盔，親友拍照留念；

. 管理人員協(xié)助參觀者佩戴好3DVR眼鏡頭盔；

. 參觀者按下操作手柄上的按鈕開(kāi)始游戲；

. 控制操作手柄進(jìn)行虛擬空戰(zhàn)；

. 游戲結(jié)束，參觀者有序離開(kāi)游戲管制區(qū)。

⑤VR虛擬視景方案

展項(xiàng)通過(guò)3DVR眼鏡讓參觀者身臨其境般體驗(yàn)戰(zhàn)斗機(jī)的空戰(zhàn)對(duì)抗，親自感受戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的駕駛視野。VR眼鏡采用Oculus Rift DK2，是借助計(jì)算機(jī)及傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種人機(jī)交互手段。其技術(shù)原理是利用人左右眼圖形呈現(xiàn)的視差，通過(guò)3DVR眼鏡讓視差畫(huà)面，左眼、右眼依序交替重復(fù)地在顯示器上出現(xiàn)，同時(shí)利用設(shè)備中的陀螺儀來(lái)偵測(cè)參觀者頭部擺動(dòng)數(shù)據(jù)，以便與虛擬空戰(zhàn)場(chǎng)景相匹配，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合。

⑥ 軟件流程圖

[RFID啟動(dòng)

進(jìn)入虛擬場(chǎng)景

操作手柄進(jìn)行游戲

結(jié)束][佩戴眼鏡]

5.3 腳本編寫(xiě)

詳細(xì)腳本可以在展品總體計(jì)劃之后確定，內(nèi)容包括確定動(dòng)畫(huà)的總長(zhǎng)度和確定分鏡頭的長(zhǎng)度。根據(jù)模擬腳本對(duì)每個(gè)子任務(wù)進(jìn)行分解。一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)模擬展品需要由不同專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人共同完成，包括各領(lǐng)域?qū)＜?、?dòng)畫(huà)師和音頻設(shè)計(jì)師，他們對(duì)技術(shù)問(wèn)題有更深入的了解，且分工明確（表1）。

5.4 VR場(chǎng)景規(guī)劃

羅列劃分出不同的場(chǎng)景、輸出場(chǎng)景列表；VR場(chǎng)景構(gòu)建，對(duì)每個(gè)場(chǎng)景需要實(shí)現(xiàn)的功能和業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行具體描述，繪制出2D場(chǎng)景平面圖，圖中應(yīng)包含當(dāng)前場(chǎng)景中的所有對(duì)象[4]。

5.5 三維建模

虛擬場(chǎng)景中的模型和紋理都應(yīng)來(lái)源于并忠實(shí)于真實(shí)的場(chǎng)景，可先通過(guò)攝像頭采集真實(shí)場(chǎng)景中材料的紋理貼圖和真實(shí)場(chǎng)景中的平面模型，然后使用PS圖像處理軟件和瑪雅、3dmax處理紋理進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景的三維模型建立。

5.6 構(gòu)建虛擬平臺(tái)

將三維模型、紋理等素材導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D構(gòu)建虛擬平臺(tái)。

5.7 渲染

在Unity3D平臺(tái)通過(guò)音效，圖形界面，插件，燈光設(shè)置渲染。

5.8 編寫(xiě)交互代碼

編寫(xiě)時(shí)注意交互環(huán)境要友好，良好的交互環(huán)境可提升用戶(hù)的學(xué)習(xí)興趣。

5.9 發(fā)布設(shè)置

VR發(fā)布平臺(tái)的開(kāi)放，需要整個(gè)行業(yè)協(xié)同制定標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)放自己的接口和平臺(tái)，幫助更多開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)直接對(duì)話(huà)，共同推動(dòng)VR產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】任星.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在科技館中的應(yīng)用[J].科學(xué)教育，2008（04）：112-112.

【2】特榮夫.科普展覽中基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

【3】宋乃亮.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科普教育中的研究及實(shí)踐[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

【4】何琳.基于 VR 的生態(tài)博物館虛擬展示平臺(tái)設(shè)計(jì)初探[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012（6）：80-81+84.endprint