基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地質(zhì)科普實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

商云濤，郭　慧，李曉蕾

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037；2.全國地質(zhì)資料館，北京 100037)

1　信息時(shí)代地質(zhì)科普的意義

地質(zhì)科普已經(jīng)成為地質(zhì)調(diào)查公共服務(wù)的重要陣地，它是一項(xiàng)融探索性、趣味性、實(shí)用性和文化性的自然科學(xué)，現(xiàn)下互聯(lián)網(wǎng)、自媒體和可視化等信息技術(shù)發(fā)展迅猛，要求地質(zhì)科普工作必須在作品、傳播等方面不斷創(chuàng)新，適應(yīng)社會需求變化。

1.1　激發(fā)青少年學(xué)習(xí)自然科學(xué)的興趣

地質(zhì)科普中所涵蓋的地質(zhì)現(xiàn)象、科學(xué)知識等都具有極強(qiáng)的專業(yè)性，單調(diào)的以傳統(tǒng)的文字展板形式進(jìn)行展示顯然已經(jīng)不能滿足地質(zhì)科普的目的，但通過專業(yè)地質(zhì)人員對相關(guān)知識的解釋與加工，并根據(jù)青少年的特點(diǎn)生成不同類型的科普產(chǎn)品，使得相關(guān)知識讓青少年可以更加高效的理解。例如，通過對滑坡、泥石流、崩塌等自然災(zāi)害資料的整理，由專業(yè)地質(zhì)人員以同屬易懂的語言對相應(yīng)自然災(zāi)害形成原因、預(yù)警措施和逃生手段進(jìn)行普及，同時(shí)借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得觀眾能夠直觀感受災(zāi)害，向觀眾直接提供災(zāi)害預(yù)防的知識儲備，以更加科學(xué)、高效的手段發(fā)揮地質(zhì)科普價(jià)值[6]。青少年通過這種方式與地質(zhì)知識進(jìn)行直接交互，深化對知識的理解，增強(qiáng)好奇心，從而激發(fā)其對地質(zhì)科學(xué)的興趣。

1.2　讓社會公眾了解地質(zhì)

目前社會普通公眾對地質(zhì)知識的需求和關(guān)注日益增加，地質(zhì)工作成果的服務(wù)對象正慢慢由最初的僅為地質(zhì)專業(yè)人員服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚱胀ù蟊娞峁┥鐣?wù)。中國消費(fèi)模式轉(zhuǎn)型推動的地質(zhì)旅游、地質(zhì)探秘、寶玉石鑒賞、生命與地球演化等地球科學(xué)文化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為新興產(chǎn)業(yè)，需要不斷的地質(zhì)科普知識供給。通過科普創(chuàng)新，使得科普與日常生產(chǎn)、娛樂旅游和文化學(xué)習(xí)相結(jié)合，讓社會公眾更直觀高效的獲取和了解基礎(chǔ)地質(zhì)、能源資源、地質(zhì)環(huán)境、地球探測、地球系統(tǒng)認(rèn)知等方面知識。

1.3　讓跨行業(yè)專家知道地質(zhì)

通過地質(zhì)科普讓跨行業(yè)專家知道地質(zhì)工作是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展重要的先行性、基礎(chǔ)性工作，服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會的各個(gè)方面。加強(qiáng)地質(zhì)工作，是緩解資源約束、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，是推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)、開展國土整治的重要基礎(chǔ)，是防治地質(zhì)災(zāi)害、改善人居環(huán)境的重要手段[1]。例如在城市規(guī)劃工作中，充分使用地質(zhì)環(huán)境巖土工程理論的指導(dǎo)作用，做好山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂縫等地質(zhì)先行工作，為規(guī)劃專家提供城市區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等資料數(shù)據(jù)，科學(xué)論證，合理設(shè)計(jì)，綜合分析得出城市區(qū)域地基穩(wěn)定性、地面穩(wěn)定性和地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃等報(bào)告，為工程規(guī)劃建設(shè)和地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控提供決策依據(jù)。

2　信息時(shí)代下的科普形式

當(dāng)今世界，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)日新月異，已滲透到社會發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，深刻影響著人們的生產(chǎn)生活。中國網(wǎng)民規(guī)模不斷增加，據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心(CNNIC)《第40次中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2017年6月底，中國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到7.51億人，占全球網(wǎng)民總數(shù)的五分之一，互聯(lián)網(wǎng)普及率為54.3%，超過全球平均水平4.6個(gè)百分點(diǎn)，中國已經(jīng)成為名副其實(shí)的互聯(lián)網(wǎng)大國，社會全面進(jìn)入信息時(shí)代[2]。伴隨著信息化時(shí)代的到來，科普已由學(xué)校教育、書籍報(bào)紙、廣播電視節(jié)目、展館等傳統(tǒng)形式向網(wǎng)絡(luò)科普這一依托于互聯(lián)網(wǎng)的新型科普形式轉(zhuǎn)變，與傳統(tǒng)科普方式相比，網(wǎng)絡(luò)科普具有科普信息量大、查詢便捷、傳播速度快，具有全球性、實(shí)時(shí)性、交互性等優(yōu)勢，極大的促進(jìn)了科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)知識的傳播與普及[3]。但是，網(wǎng)絡(luò)科普發(fā)展并不成熟，仍然存在目標(biāo)人群不明確、展現(xiàn)形式單一、交互性差等不足。信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得原有傳統(tǒng)多媒體方式無法展示的內(nèi)容成為可能。例如，利用三維建模技術(shù)，可以使得用戶通過網(wǎng)絡(luò)直接登錄騰訊的中國航空VR展館，身臨其境的使用長征火箭飛往太空，使用中國空間站-天宮探索太陽系，切實(shí)了解我國長征系列火箭、天宮和太陽系的相關(guān)科學(xué)知識。這種以計(jì)算機(jī)生成三維立體視覺、聽覺、觸覺和嗅覺的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得用戶可以使用自己的第一感官來感知虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)體，通過交互操作直接獲取相關(guān)知識。借助于現(xiàn)在較成熟的智能穿戴設(shè)備—VR眼鏡、耳機(jī)和數(shù)據(jù)手柄等，使得用戶自由的進(jìn)入這個(gè)由計(jì)算機(jī)虛擬構(gòu)建的“現(xiàn)實(shí)世界”的特殊場景之中[4-5]。這種方式可以使用戶直接與虛擬實(shí)體接觸，通過最直接的感受來激發(fā)人們的創(chuàng)造力，使得用戶在虛擬的“現(xiàn)實(shí)世界”中漫游，更加高效直接的獲取相關(guān)知識。同時(shí)由于其強(qiáng)大的交互性和趣味性，可以培養(yǎng)用戶獲取相關(guān)科普知識的興趣。

3　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，聯(lián)合其他相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成一個(gè)具備三維立體空間的實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)字化世界，借助必要的設(shè)備，用戶直接使用自身的視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等感官與數(shù)字化世界中的對象進(jìn)行交互作用，相互影響，讓用戶如同身臨其境一般，從而產(chǎn)生面對真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[7-9]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人類在開展自然探索、自然認(rèn)識過程中創(chuàng)造產(chǎn)生的一項(xiàng)高度綜合集成的技術(shù)[10]，它集成了計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、傳感、顯示及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，使得人類可以利用其用于認(rèn)識自然、模擬自然，進(jìn)而更好的體驗(yàn)、適應(yīng)、了解和利用自然的科學(xué)技術(shù)與科學(xué)方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下四個(gè)重要特點(diǎn)。

1) 多感知性。多感知性就是虛擬現(xiàn)實(shí)能夠多維感知。即除了計(jì)算機(jī)所能提供的視覺感知和聽覺感知外，還有力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)是應(yīng)該具有人所具有的感知功能，人們在模擬環(huán)境中通過視覺觀看到色彩斑斕的環(huán)境，通過聽覺感知豐富多彩的音響世界，通過觸覺了解物體的形狀和特性，通過嗅覺知道周圍的氣味。總之，通過各種各樣的感覺，使我們能夠同客觀真實(shí)世界交互(交流)，使我們浸沉于和真實(shí)世界一樣的環(huán)境中。

2) 存在感。又稱臨場感，是虛擬現(xiàn)實(shí)最主要的技術(shù)特征，它是指由計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的一個(gè)模擬環(huán)境，讓用戶通過設(shè)備作為主角存在于模擬環(huán)境中，通過優(yōu)化模擬環(huán)境的真實(shí)度，讓用戶有身臨其境的感覺，使得用戶感覺自己是模擬環(huán)境中的一份子。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度。

3) 交互性。交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)，用戶不僅可以使用鍵盤、鼠標(biāo)和屏幕進(jìn)行交互，還可以通過VR設(shè)備進(jìn)行交互。例如，用戶通過VR眼鏡和VR數(shù)據(jù)手套等復(fù)雜傳感器設(shè)備用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體，這時(shí)手有握著該物體的觸感，感受相應(yīng)物體的重量，同時(shí)可以看到物體也隨著手的挪動而相應(yīng)移動。

4) 自主性。自主性是指在模擬環(huán)境中所有事物都符合現(xiàn)實(shí)世界的物理定律的符合程度。例如，當(dāng)受到力的推動時(shí)，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

4　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地質(zhì)科普上的展現(xiàn)應(yīng)用

地質(zhì)科普目標(biāo)人群為具備獨(dú)立思考能力，且有一定科學(xué)素養(yǎng)的人群，同時(shí)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破傳統(tǒng)意義上的時(shí)間與空間的局限為地質(zhì)行業(yè)與社會各界溝通搭建橋梁，向社會公眾開展旅游地質(zhì)、災(zāi)害預(yù)報(bào)防治和生態(tài)環(huán)境等方面的科普宣傳，展示中國地質(zhì)的歷史、成就和在生活中的作用。現(xiàn)選取了以下兩種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，來構(gòu)建能使用戶充分沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬世界，達(dá)到更好的科普效果。

4.1　三維全景技術(shù)

三維全景技術(shù)(也稱實(shí)景虛擬)是基于全景圖像還原真實(shí)場景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[11]。通過將拍攝的一組或多組360°照片拼接成一個(gè)全景圖像，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位交互式瀏覽的真實(shí)場景還原展示方式。其技術(shù)流程照片拍攝→圖像拼接→生成場景的模式來完成虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)建，具體見圖1。

圖1　三維全景制作流程

4.1.1照片拍攝

一般有兩種方法，用全景拍攝器材進(jìn)行拍攝或者通過普通相機(jī)拍攝再進(jìn)行圖像拼接。前一種方式比較容易采集圖像，但是這種方法往往意味著購買昂貴的攝影器材，因此影響了其通用性。而后一種方式，用普通相機(jī)在固定點(diǎn)拍攝多張照片拼接生成全景圖片，其拍攝照片之間需要有一定的交叉區(qū)域(即交叉率)，一般相鄰照片需要重疊20%～25%。當(dāng)拍攝范圍和交叉率確定后，根據(jù)使用相機(jī)的幅面、鏡頭的焦距和相機(jī)的擺放的垂直或水平的方向，計(jì)算確定拍攝照片的預(yù)估數(shù)和圖片像素的預(yù)計(jì)數(shù)，并按照計(jì)劃依次進(jìn)行拍攝。

4.1.2圖像拼接

圖像拼接技術(shù)指的是將多幅相連且有交叉重復(fù)區(qū)域的圖像進(jìn)行無縫拼接融合，以此得到360°全視域全景圖像的技術(shù)?，F(xiàn)有的全景圖像拼接生成算法主要可以分為三類：基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相關(guān)的方法。在得到拼接好的圖像后，還需要對圖像重疊部分進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)圖像的無縫拼接。目前經(jīng)常采用的一種簡單的圖像縫合技術(shù)就是線性插值法(Linear Interpolation)。

4.1.3場景生成與驅(qū)動

場景生成與驅(qū)動是通過漫游合成軟件將多個(gè)全景圖片進(jìn)行合理的空間編輯與組織，生成可供用戶進(jìn)行場景跳轉(zhuǎn)、場景漫游，通過在場景內(nèi)添加熱點(diǎn)，點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)科普信息的展示與交互。

4.2　三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)(3D Modeling)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的虛擬三維空間模型[12]，在三維空間中對物體的外形、顏色、光照、材質(zhì)等屬性進(jìn)行精確模擬，以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的真實(shí)再現(xiàn)，為用戶創(chuàng)建一個(gè)身臨其境、形象逼真的環(huán)境。

4.2.1三維模型與場景制作

1) 建模。建模是三維場景建立的基礎(chǔ)，通過3D軟件(如3D Max、MultigenCreateor、Maya及Superscape VRT等)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運(yùn)算等一系列幾何操作來構(gòu)建場景。

2) 材質(zhì)貼圖。虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的模型除了具有良好的幾何造型外，還需要通過材質(zhì)貼圖來表現(xiàn)物體的物理屬性和外形特征，藉此進(jìn)一步增強(qiáng)三維模型的真實(shí)感。

3) 燈光渲染。燈光渲染是通過設(shè)置光源性質(zhì)(鏡射光、 漫射光和環(huán)境光)、光源方位(距離和方向)、敏感處理方式(平滑或平面處理)和紋理映射方式等參數(shù)，來增強(qiáng)場景真實(shí)感，美化整體效果。

4) 成果導(dǎo)出。在場景制作完畢之后，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)插件的要求導(dǎo)出HTML5格式場景文件。同時(shí)需要注意材質(zhì)貼圖、內(nèi)部動畫的導(dǎo)出。

4.2.2場景導(dǎo)入與驅(qū)動

通過網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)插件來驅(qū)動場景和模型，根據(jù)需求添加相應(yīng)控件按鈕，以此實(shí)現(xiàn)多場景間的跳轉(zhuǎn)切換和與用戶的交互。

5　實(shí)例及成果

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多元應(yīng)用性建設(shè)在線展覽館——“中國地質(zhì)調(diào)查歷史與成就展館”，通過時(shí)空結(jié)合、動態(tài)交互的展示技術(shù)，展現(xiàn)中國地質(zhì)調(diào)查的百項(xiàng)成果、百項(xiàng)理論、百項(xiàng)技術(shù)，突出展示地質(zhì)行業(yè)發(fā)展過程中的重要人物及其所做貢獻(xiàn)，向社會公眾開展相關(guān)地質(zhì)方面的科普宣傳。

5.1　三維場景建立

5.1.1三維全景技術(shù)

圖片拍攝采用普通數(shù)碼相機(jī)、魚眼鏡頭(180°)、三腳架，每個(gè)場景拍攝4張照片，每拍完一張水平旋轉(zhuǎn)90°，相鄰兩種照片之間重疊交叉率為50%。選用pix maker pro軟件進(jìn)行圖像拼接，將4張照片縫合成為一張360°全視角的全景圖。使用krpano軟件中的MAKE VTOUR(VR-OPT) droplet模塊，在將場景生成所需的全景圖一次性到任后，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整圖像質(zhì)量和顯示大小，添加導(dǎo)航按鈕、可滾動縮略圖以及重力感應(yīng)插件等。最后輸出一個(gè)HTML5文件格式，將全景展示文件直接嵌入網(wǎng)站頁面里，發(fā)布后，使用者就可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線瀏覽(圖2)。

圖2　三維全景效果圖

5.1.2三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)主要使用3D MAX建立相應(yīng)場館模型，模型為虛構(gòu)場景。建模過程主要采用多邊形建模方法，材質(zhì)和貼圖主要參照現(xiàn)實(shí)博物館布設(shè)進(jìn)行，通過加裝射燈和展板背景燈等光源進(jìn)行燈光渲染，提升整體模型真實(shí)度。

5.2　成果展出

虛擬展館已上線服務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)，目前主要包含5個(gè)分館，分別是：①地質(zhì)調(diào)查歷史館，回顧中國地質(zhì)調(diào)查事業(yè)走過的百年風(fēng)雨歷程；②地質(zhì)調(diào)查成就館，展示中國地質(zhì)調(diào)查事業(yè)取得的輝煌成績；③地質(zhì)人物館，展示為中國地質(zhì)行業(yè)發(fā)展做出卓越貢獻(xiàn)人物風(fēng)采；④地質(zhì)成果專題館，多維度展示地質(zhì)行業(yè)的發(fā)展和對社會國家所產(chǎn)生的重要作用；⑤地質(zhì)實(shí)景館，展現(xiàn)地質(zhì)一線工作場景，讓社會公眾更加了解地質(zhì)，理解地質(zhì)工作者。其中前四個(gè)館使用的是三維建模技術(shù)，而地質(zhì)實(shí)景館使用三維全景技術(shù)構(gòu)建。通過在線展出后，受到了大量用戶的好評，取得了預(yù)期效果，達(dá)到了普及地質(zhì)知識，推進(jìn)信息化發(fā)展的目的。

6　結(jié)　語

技術(shù)的進(jìn)步是不可逆轉(zhuǎn)的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已展現(xiàn)出來強(qiáng)大的生命力，齊應(yīng)用的領(lǐng)域涵蓋了軍事、制造、醫(yī)療、交通等行業(yè)。在當(dāng)今社會，公眾對科普的需求呈現(xiàn)個(gè)性、豐富和多元化，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與地質(zhì)科普工作結(jié)合，將給科普工作帶來革命性的變化，用戶在碎片化的時(shí)間里使用VR設(shè)備和手機(jī)瀏覽的方式，在虛擬的地質(zhì)科學(xué)世界里遨游，獲得理性的科學(xué)知識和虛擬視覺感官體驗(yàn)，切實(shí)增強(qiáng)地質(zhì)科學(xué)的吸引力和普及率，不斷推動傳統(tǒng)的科普手段升級與更迭。

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