基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計研究

方浩，袁醫(yī)靈，王中，周婷婷

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，武漢 430074；2.文華學(xué)院，武漢 430074)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計研究

方浩1,2，袁醫(yī)靈1，王中1，周婷婷1

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，武漢 430074；2.文華學(xué)院，武漢 430074)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸應(yīng)用于展示媒體，傳統(tǒng)地球科普展示設(shè)計的發(fā)展也迎來了新的轉(zhuǎn)折點。文章描述了地球科普展示設(shè)計的現(xiàn)狀及所面臨的問題，對應(yīng)用虛擬現(xiàn)實解決該問題的優(yōu)勢進(jìn)行重點論述，探討其所遵循的設(shè)計理念，為地球科普展示設(shè)計提供方向。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；地球科普；展示設(shè)計

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地球科普展示設(shè)計實質(zhì)是一個傳播地球科學(xué)知識的過程，即向廣大群眾科學(xué)普及地球科學(xué)、空間物理等領(lǐng)域的科學(xué)知識。但是地球科普不是簡單的知識傳播過程，它包括地球科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)思想、科學(xué)精神的生產(chǎn)、熟化、傳播、接受、消化、吸收等諸多環(huán)節(jié)和過程。

傳統(tǒng)科技館、博物館的地球科普展示設(shè)計由于其空間有限性、形式單調(diào)性和傳播方式的灌輸性已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會的多樣化需求。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實在地球科普中得到了越來越廣泛的使用，為展示設(shè)計提供了新的方向，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到地球科普展示設(shè)計當(dāng)中可以增加其多樣性、互動性、趣味性以及傳播的廣泛性，實現(xiàn)科普的最佳效果。

一、地球科普展示設(shè)計現(xiàn)狀與問題

在信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的時代，實體地質(zhì)博物館、科技館的展示設(shè)計在各個方面的發(fā)展都遇到了瓶頸，難以適應(yīng)當(dāng)今社會的需求，主要表現(xiàn)為以下三點：

（一）實體空間有限性

中國是一個歷史悠久、疆域遼闊的國家，幾千年的歷史沉淀讓我們擁有豐富的展品資源，自然地理環(huán)境亦是極其復(fù)雜而又豐富多彩，但實體展示空間相對于其來說卻是量小力微，不能滿足資源對空間的需求。因此，從虛擬現(xiàn)實的角度出發(fā)為展示設(shè)計提供新的方向成為必然。

交互式虛擬展示以VR技術(shù)為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)建一個虛擬空間使得觀眾可以在其中與展品發(fā)生交互，將展示空間拓展至網(wǎng)絡(luò)空間中，緩解了科普展示對于實體空間的要求。

（二）展示模式單調(diào)性

中國是世界上最大的發(fā)展中國家，各個地區(qū)在發(fā)展上存在著較大的差異與不平衡，這便導(dǎo)致了不同地區(qū)、不同人群對于科普工作所要滿足的需求上的明顯差異。基于此，科普工作在滿足社會成員總體需求的同時，要有更多針對性的工作，在對不同地區(qū)，不同環(huán)境下的社會成員充分了解的基礎(chǔ)之上，提供合適的科普展覽，滿足他們的多樣化需求。

現(xiàn)在，我國大多數(shù)科技館、展覽館、博物館仍是以傳統(tǒng)的方式進(jìn)行展覽，往往都是平鋪直敘，以靜態(tài)的形式對展品進(jìn)行空間上的布置，引導(dǎo)觀眾的觀看順序，在形式上大多以展板、模型、展墻、等方式居多，難以滿足觀眾多樣化的需求，使其融入其中。（圖1）

當(dāng)然，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，電影、電視、網(wǎng)絡(luò)等媒介在地球科普展示中也發(fā)揮著越來越重要的作用，但這些媒體質(zhì)量又參差不齊，整體質(zhì)量不高，展示效果也差強人意（圖2）。科普知識具有較強的專業(yè)性，往往是枯燥難懂的，如果沒有較好的進(jìn)行展示設(shè)計往往很難達(dá)到理想的傳播效果，只有將媒體的娛樂性與其相結(jié)合，以有趣的形式表達(dá)科學(xué)知識，寓教于樂，才能讓其更好地進(jìn)入人們的生活。

（三）傳播方式灌輸性

當(dāng)前的科普展示中，其傳播方式往往是單方面的，觀眾只是被動的接受信息，使得信息往往難以有效被觀眾吸收，這就要求我們的科普工作必須告別傳統(tǒng)方式，要以更多有趣的形式讓觀眾與展示發(fā)生互動，切身感受科學(xué)的魅力。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計可以讓觀眾從視覺、聽覺、觸覺等多方面真實感受自己所處的環(huán)境，根據(jù)興趣點有選擇地與展品交流溝通，達(dá)到科普的高效目的。

> 圖1 地球展廳展墻展示

> 圖2 多媒體展示

> 圖3 虛擬現(xiàn)實巖石圈

> 圖4 數(shù)字城市

> 圖5 Amphibian的潛水模擬器

> 圖6 虛擬太陽系模型

二、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計特點

虛擬現(xiàn)實具有豐富的交互性、想象性和沉浸性特征，讓觀眾在參觀的過程中，能以最自然的方式融入其所處的環(huán)境，獲得豐富的交互體驗。因此，和傳統(tǒng)的博物館、科技館展示相比，基于虛擬現(xiàn)實的展示設(shè)計更能實現(xiàn)地球科普的高效傳播。以下對于其優(yōu)點進(jìn)行展開論述：

（一）虛擬空間無限性

以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的展示設(shè)計通過模擬真實場景，將所要展示的信息置入其中，使得觀眾切身體驗其所包含的豐富信息，對其科學(xué)知識有更深的了解，而又由于網(wǎng)絡(luò)空間的無限性使得實體空間不足夠展示豐富資源的問題迎刃而解。如圖3所示為青藏高原巖石圈虛擬現(xiàn)實可視化表達(dá)，通過虛擬演化能夠探知青藏高原亞東―格爾木地學(xué)斷面構(gòu)造演化的歷史過程，而這一切都存在于無限的網(wǎng)絡(luò)空間當(dāng)中，不必再耗費過多的資源建設(shè)展品模型。

（二）滿足多樣化需求

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計在展覽過程中，十分注重觀者的個人需求，注重觀者的主體選擇性，使其按照自己的喜歡的方式解讀所展示的信息。圖4所示的奧地利林茨數(shù)字城市，是將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用到地理學(xué)當(dāng)中，根據(jù)地形、地貌以及特征紋理等所創(chuàng)造的虛擬地理環(huán)境。體驗者在體驗時被模擬飛行器吊在空中，戴著立體眼鏡感受自己穿梭在整個城市當(dāng)中，根據(jù)自己的需要選擇解讀該城市的方式，時而漫步街中，時而在河面上掠過，時而又去空中鳥瞰整個城市。考慮到了觀者的不同需求，使其深刻感受該城市所包含自然地理文化。

（三）趣味性豐富

地球科普中所包含的科學(xué)知識、地理現(xiàn)象等大都具有較強的專業(yè)性，晦澀難懂，單調(diào)的傳統(tǒng)展示設(shè)計顯然不能滿足科普的目的，但在虛擬現(xiàn)實當(dāng)中，觀者通過與展品發(fā)生互動，產(chǎn)生交流，往往能發(fā)現(xiàn)科學(xué)當(dāng)中的趣味性，深化其對知識的理解。如圖5所示為MIT推出的模擬潛水器，利用該潛水器，使用者可以與海洋來一次親密的接觸，它將虛擬現(xiàn)實與懸浮挽具結(jié)合在一起，用戶在使用時，將頭顯、耳機以及挽具佩戴上便可體驗水的浮力、阻力以及水溫等多種水下感受，甚至還有帶傳感器的手套，可以模仿水下?lián)焓拔锲罚缲悮ぁⅢπ罚黾恿耸褂谜唧w驗時的娛樂，切身感受地球海洋文化的魅力。

（四）互動性良好

傳統(tǒng)的展示設(shè)計缺乏互動性，但在交互式虛擬展示設(shè)計當(dāng)中，它更加注重觀眾的主體參與性，讓觀者在“身臨其境”的環(huán)境下，帶著一顆好奇的心主動地與展品發(fā)生互動，體會其中的科普知識，使得觀者與展品的交流從被動變?yōu)橹鲃樱瑥膯蜗騻鞑プ優(yōu)榛芋w驗。如圖6所示虛擬太陽系模型，觀者在體驗時，可以利用鼠標(biāo)、鍵盤等與模型發(fā)生交互，如用鼠標(biāo)點擊地球，就可以觀看地月系統(tǒng)之間的運動規(guī)律，按下空格會感受到哈雷彗星向太陽運動，就好像身處太空當(dāng)中在感受身邊的一切，體會交互所帶來的沉浸感。

三、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計原則

從理論上看，以VR技術(shù)為基礎(chǔ)的地球科普展示設(shè)計可以從很大程度上解決目前科技館、博物館等發(fā)展所面臨的一系列問題，將實體空間拓展到網(wǎng)絡(luò)空間當(dāng)中，豐富展示方式，實現(xiàn)展示效果的最佳化。但是，如何從實際層面具體進(jìn)行展示設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建，如何以最佳的方式展示展品所要表達(dá)的信息，如何以最自然的交互方式和觀者進(jìn)行互動，建立一個高效的人機系統(tǒng)，仍然是困擾設(shè)計師的一大難題。通過上文分析我們試圖為基于虛擬現(xiàn)實的地球科普展示設(shè)計提供以下思路：

（一）系統(tǒng)化設(shè)計

基于虛擬現(xiàn)實的地球科普展示設(shè)計是一個完整人機系統(tǒng)的建立過程。在展示設(shè)計當(dāng)中，要綜合把握各方面的因素，研究其之間的關(guān)聯(lián)性，協(xié)調(diào)好各方面的關(guān)系，以免任何因素處于一個“真空”當(dāng)中，降低展品信息流動的效率。這些因素包括觀者、展示媒介、展示環(huán)境、綜合因素四方面，而它們又可以當(dāng)做是完整系統(tǒng)中的四個子系統(tǒng)，擁有其各自的結(jié)構(gòu)與層次，展品信息能否高效傳達(dá)取決于各個因素的協(xié)同作用程度。選擇合適的照明、溫度、濕度、色彩、形態(tài)等物理化學(xué)環(huán)境和心理環(huán)境，進(jìn)行信息顯示系統(tǒng)和操縱控制系統(tǒng)設(shè)計，調(diào)動觀者的主動適應(yīng)能力、主動學(xué)習(xí)能力，使得觀者與展示媒介合理配合，信息傳達(dá)效果最佳，展示系統(tǒng)綜合效能達(dá)到最高，實現(xiàn)高效、便捷、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念，是科普展示的重要目的。

（二）智能化設(shè)計

展示空間作為人機交互的場所，任何與人互動的方式當(dāng)中，都有人機交互界面的存在，如何使觀者以最自然的交互方式與展品互動，如何考慮不同觀者的需求，是人機界面當(dāng)中不可避免的問題。智能交互空間的引入使得該問題的解決有了新的方向，它嵌入了計算、信息設(shè)備以及多模態(tài)的傳感裝置，使得機器不再是被動的指令接受者，而是通過傳感裝置主動檢驗環(huán)境因素的變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運作方式，使展示空間更符合展品的信息傳達(dá)，與觀者自然交互，協(xié)作觀者完成體驗，從而大大降低觀者的學(xué)習(xí)與操作負(fù)擔(dān)，使其有更加深入的沉浸感，不被打斷。這是科學(xué)發(fā)展所帶來的突破，也將是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計的重要方向。

（三）人性化設(shè)計

隨著物質(zhì)生活與文化水平的發(fā)展，人們的精神需求不斷提升，這也是推動地球科普展示設(shè)計發(fā)展的根本動力，因此，滿足觀者的需求，對科普展示進(jìn)行人性化設(shè)計，是當(dāng)前也必將是未來的主流方向。作為科普展示信息的接受者，人的因素復(fù)雜多樣，包括人體尺寸參數(shù)、機械力學(xué)參數(shù)、信息傳遞能力、心理調(diào)節(jié)能力、心理反射機制等多方面信息，根據(jù)具體科普展示內(nèi)容，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，是地球科普展示設(shè)計的應(yīng)有內(nèi)容，這本身就是人性化設(shè)計的一部分。

通過人性化設(shè)計，對現(xiàn)有展示方式進(jìn)行改善，使其更加符合人的行為習(xí)慣、思維方式、心理情況、生理參數(shù)，能夠提高觀眾的參觀體驗，得到精神上的尊重與滿足，這是人性化設(shè)計人文關(guān)懷的最高體現(xiàn)，也是地球科普展示設(shè)計的最終追求。

> 圖7 “龍宮探寶”海洋科普館

> 圖8 谷歌眼鏡

四、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地球科普展示設(shè)計案例

在我國，將VR技術(shù)應(yīng)用于地球海洋科普的當(dāng)屬近來中科院海洋所制成的海底VR展示研究系統(tǒng)。它是由57萬余張海底地形、地貌的實測照片經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和拼接制作而完成，拍攝該照片的無人潛水器綜合利用了國內(nèi)長基線定位系統(tǒng)、近海底地球物理探測系統(tǒng)和三維激光影像系統(tǒng)，拍出來的照片每張都包含精確的海底信息，因此在虛擬現(xiàn)實海底系統(tǒng)中，每一個點都能得到精確識別，包括水深、位置、生物種類、地質(zhì)類型等信息，這對于海底實際科學(xué)考察具有重要現(xiàn)實意義，通過不斷的將采集到的信息以虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入其中，能夠?qū)Ρ鹊贸鲈摰貐^(qū)生物、地貌、巖石的演化過程。體驗者戴著VR頭盔,可以清晰地看到海底巖石及生物的分布情況，并且可以隨意走動尋找目標(biāo)物，根據(jù)不同場景調(diào)整燈光，身臨其境地開展海底活動，感受一個真實的海底世界。（圖7）

另一個將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于地球科學(xué)的代表就是谷歌地球，它是第一個真正意義擁有全球視野的VR應(yīng)用，谷歌的衛(wèi)星地圖可以放大到街道從而打造3D全現(xiàn)實還原地圖，同時它還擁有全世界最先進(jìn)的神經(jīng)式網(wǎng)絡(luò)，使得它包含了5億平方公里的真實地貌，全球大約175個城市的完整3D數(shù)據(jù)信息和600個以上城市的核心地區(qū)。體驗者在使用它時，帶上HTC Vive頭顯，呆在家里就可以暢游羅馬古跡、亞馬遜河等名勝古跡。此外，用戶還可以從太空的角度去觀看地球，更深刻的感受自己的家園面貌，了解到更多的地球科學(xué)知識。（圖8）

總結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于地球科普展示設(shè)計可以解決當(dāng)前限制其發(fā)展的諸多問題，拓展實體空間，豐富展示方式，增強信息互動，實現(xiàn)科普展示效果的最佳化。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行地球科普展示設(shè)計時，要注意所要科普的具體信息，根據(jù)其內(nèi)容選擇最佳的展現(xiàn)方式，更要關(guān)注科普的受眾群體，了解他們的需求進(jìn)行針對化的設(shè)計，滿足觀者的不同需求。遵循系統(tǒng)化、智能化、人性化的設(shè)計原則，將虛擬現(xiàn)實與地球科普展示設(shè)計完美結(jié)合，對地球科普展示設(shè)計的發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義和引導(dǎo)作用。■

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Research on the Exhibition Design of Earth Science, Based on Virtual Reality Technology

FANG Hao1,2, YUAN Yi-ling1, WANG Zhong1, ZHOU Ting-ting1
(1. School of Arts and Communication , China University of Geosciences , Wuhan 430074 , China; 2. Wenhua College , Wuhan 430074 , China)

This paper describes the problems of contemporary geography exhibition design, focuses on the advantages of virtual reality technology as the starting point to solve the problem, and explores the role that virtual reality technology can play in the exhibition design of earth science through case analysis.Finally, it provides a new directions for earth science exhibition design and draws some summary suggests.

virtual reality technology; earth science; exhibition design

TP391.9

A

1008-2832(2017)07-0062-03

中國科協(xié)移動端科普融合創(chuàng)作項目（項目編號：2015184010），湖北省教育廳人文社科研究一般項目（項目編號：16G187）

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