VR技術在科技館展品中的應用改造

陳戈

【摘 要】科技館是公益性的科普教育場所，是公民科學素質提升的重要陣地。論文以福建省科技館在建設新館過程中將陳設性展品改造升級為虛擬現實展品為例，對虛擬技術的概念、特性、開發環境等進行分析，闡述VR展品開發過程的問題和實現步驟。

【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.

【關鍵詞】科技館；展品改造；虛擬現實技術

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

【中圖分類號】TP391 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0141-04

1 VR概述

1.1 定義

VR（虛擬現實技術），1989年由美國人J.Lanier提出，VR技術就是借助計算機技術及硬件設備（如VR眼鏡、傳感器）等，產生一種可以通過人的感知器官與之互動的三維虛擬環境，使人可以沉浸其中，忘記現實的存在，是一種較之以往技術更為先進的人機交流界面，故又稱之為幻境或靈境技術。

VR技術雖然已經提出二三十年，但它主要應用于軍事、科研領域，目前隨著計算機技術的快速發展，數據處理能力的提高，VR技術也迅速發展起來，其高精度、通用性、價格便宜的優勢也逐漸突顯，這為VR技術進入科普領域提供了可能。2017年1月15日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于促進移動互聯網健康有序發展的意見》中指出，加緊人工智能、虛擬現實、增強現實、微機電系統等新興移動互聯網關鍵技術的布局，這為VR技術的推廣和發展提供了強有力的支撐。目前，VR技術與科學實驗、理論分析一起成為人類認知自然規律的三大手段。

1.2 VR的特性

1.2.1多感知性

真正的VR技術應該具備人類感知的全部功能，它可以模擬人的觸覺、力覺、視覺、聽覺、運動知覺等。但目前味覺、嗅覺感知還無法模擬，其感知范圍和靈敏度也無法與人類相比。

1.2.2 沉浸感

沉浸感是指用戶通過電腦上產生的3 D虛擬環境，體驗身臨其境的感覺，其真實程度越高，用戶越可以更充分地進入虛擬世界，所謂的“沉浸”體驗感就越強。

1.2.3 實時性

實時性利用的是在虛擬環境中物體運動的反應程度與現實中物體運動的反應規律相符。也就是說，根據計算機操作員的要求，虛擬對象可以根據各自模型的運動規則實時響應。

1.2.4 交互性

它是指操作者在使用VR設備時，其對操作者的動作能否能做出自然、快速、符合規律的反應，另外，交互性與實時性是不可分割的。

1.3 VR技術應用在科普教育中的意義

①實體科普場所需要投入大量的資金設備且占地面積大，設備運輸、維護不便，VR技術的應用可減少在科教硬件設備上的投入，且維護成本低廉；

②VR技術可打破時間與空間的限制，應用于現實世界中不可能接近地域和事物的探索，如星際空間、月球、火災現場等；

③VR技術可應用于危險的實驗和需要長時間才能有效測量的實驗；

④VR技術可在想象的空間與真實的人進行交流；

⑤VR技術可支持重復設計，以減少實驗成本；

⑥VR技術可與歷史人物等虛擬人進行交流。

2 VR的硬件設備與軟件技術

2.1 VR硬件設備

①建模設備（3D掃描儀），也稱為三維立體掃描儀，用于捕捉物體表面的三維坐標和物體的三維數字模型[1]。該設備可用于逆向工程、快速成型、三維檢測（機器視覺測量）等。

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

③聲音設備（如三維立體音效系統），這種系統可以根據聲音對人體所產生的反射，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做出變化，從而得到高仿真的三維立體音效。

④交互設備（人機交互設備），其主要包括數據手套、操縱桿以及運動捕捉系統。

數據手套是一種較常見的三維交互工具。它運用磁定位傳感器來感受手指的動作和精確手在空間中的位置，從而在虛擬環境可以自由抓取、旋轉、翻轉物體。

目前市面上運用最多是的藍牙操縱桿，它通過藍牙協議與VR顯示設備連接，使用戶可以在虛擬環境中進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系統的交互中，設備需要確認操作者的方位姿勢、運動的方向軌跡，并將監測的結果傳輸給顯示系統和操控系統，從而有效模擬出人體在三維空間中的運動軌跡，達到人機互動的目的。

2.2 VR軟件

VR軟件指的是制作開發虛擬現實系統的三維圖形圖像處理軟件。開發者一般先研發出核心引擎，然后在此基礎上根據不同用戶的需求，進行二次開發。

2.2.1 VRP虛擬現實編輯器

VRP虛擬現實編輯器主要運用于虛擬場景的3D模型導入和交互制作、特效制作、后期編輯、界面設計、打包發布等，適用于虛擬展館、景點漫游等場景制作。

2.2.2 Unity3D

Unity3D是一款能是全面整合3D游戲引擎的多平臺開發工具。它能在設計階段，將各種不同設計軟件所產生的三維模型，通過數據轉制成虛擬展示的場景主體模型，再通過模型識別和LOD高階渲染等技術，實現3D模型的在線虛擬展示。

2.2.3 VRPIE互聯網平臺

VRPIE互聯網平臺可直接面向所有互聯網用戶，能將3D場景編輯器制作的作品上傳到網絡，用戶可在網絡上對3D虛擬場景進行互動瀏覽。

2.2.4 VRP-MUSEUM虛擬展館

VRP-MUSEUM虛擬展館可將傳統博物館、科技館展品展項的三維模型移植到互聯網，實現觀眾足不出戶就可以在線上進行數字虛擬展館的參觀游覽。

3 VR技術的缺點

第一，VR技術雖然在硬件方面獲得了較大進步，但在用戶的沉浸感體驗上還存在著許多缺失，問題主要集中在：

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無強烈的顆粒感，需要屏幕分辨率需達4K以上；

②屏幕刷新率與延遲：由于畫面刷新速度慢，肉眼在觀看時會感到畫面延遲拖沓，從而造成頭暈。當屏幕刷新率達到60HZ以上，且圖像從GPU處理完發送到屏幕的時間在20毫秒以內，才不會造成人眼的眩暈；

③可視角度：正常狀態下，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，達不到120度，眼球運動很容易就越過可視過界，影響觀看體驗和沉浸感；

④輕盈度：目前市面上VR眼鏡多為500g左右，較為笨重，長時間佩戴會產生壓迫感和不適感；

⑤交互方式：目前運用較多的是藍牙遙控器，交互方式不自然；

⑥眩暈感：普遍存在，易造成用戶不適，無法長時間佩戴，青少年的視力處于發育階段，因此頭戴設備不適合12歲以下兒童使用。

第二，內容上的短板：

①VR的內容偏少，且多為娛樂游戲內容，針對青少年開發的科普內容更是少之又少，目前VR內容還沒有統一的行業標準，且未出現里程碑式的作品；

②現有的VR內容不管是在故事敘述上，還是交互體驗上，都與以往的娛樂游戲并無本質上的區別[2]。

4 VR展品開發中需要解決的問題

①以假亂真的模擬技術。如何合成與人體器官感覺一致的信息輸入，即如何產生出與真實環境相同的感觀、嗅覺、觸覺等體驗。

②相互作用。觀察者可以主動、有力地操作VR設備，以獲得不同的視點和更高層次的感知信息，也就是怎么可以看得更像，聽得更真等。

③自律性現實。用戶在體會虛擬現實的真實感而無意識自己的動作和行為，這需要用戶與傳感器、計算機仿真系統、顯示系統構成一個閉環的交互流程。

④快速生成圖像的實時感。在虛擬現實中，圖像并不是一成不變的，它會隨著用戶眼部位置的改變而實時改變，就這要求VR系統以每秒30幀以上的速度生成圖像，并配有實時音效，才能使用戶達到身臨其境之感。

5 福建省科技館改造升級“殲七”戰斗機VR互動展品的實例分析

5.1 充分了解改造原型

對改造對象進行深入研究，弄清模擬對象的工作原理，這是至關重要的一環。只有對模擬對象的工作原理有了清晰的認識后，才可充分理解其工作的動態過程，為以后的設計腳本奠定基礎。如福建省科技館將館藏殲七戰斗機改造為VR展品前，做了大量的深入調查，聘請航空方面的專家作為顧問，為展品的落地提供了技術保障。殲七系列戰斗機是我國自行研制、大量裝備、批量出口的一款優秀的第二代戰斗機，已有近50年歷史。該飛機退役后由成都飛機制造廠捐贈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，沒有任何互動方式。福建省科技館利用新館建設的契機，將這件展品改造升級為VR互動展品。改造后，參觀者可在工作人員的協助下進入戰斗機座艙內，戴上仿真飛行員頭盔（3DVR眼鏡頭盔），通過控制操作手柄進行虛擬空戰，享受沉浸式的模擬駕駛體驗。

5.2 策劃展品文案

策劃展品的文案，對展品的表現形式、展示方式、觀眾體驗流程圖、操作說明、技術方案、軟件流程圖等進行描述[3]。

①表現形式：展項結合真實的戰斗機駕駛艙，讓參觀者佩戴3DVR眼鏡頭盔在殲7-Ⅱ型戰斗機駕駛艙內，進行90s左右的虛擬空戰追逐，感受戰斗機飛行員的駕駛視野，實現虛實結合，寓教于樂。

②展示方式：參觀者可在殲7-Ⅱ型戰斗機艙外進行拍照合影，也可以直接進入座艙佩戴3DVR眼鏡頭盔，通過控制操作手柄進行虛擬空戰體驗。

③觀眾體驗流程圖：

[RFID門票

感應進入

管制區][佩戴仿真

飛行員

頭盔][親友協

助拍照

留念][進入

駕駛艙][協助佩

戴3DVR

眼鏡][操作手柄進行模擬空戰][離開游戲管制區]endprint

④操作說明

. RFID門票感應進入游戲管制區；

.佩戴仿真戰斗機飛行員頭盔，親友拍照留念；

. 管理人員協助參觀者佩戴好3DVR眼鏡頭盔；

. 參觀者按下操作手柄上的按鈕開始游戲；

. 控制操作手柄進行虛擬空戰；

. 游戲結束，參觀者有序離開游戲管制區。

⑤VR虛擬視景方案

展項通過3DVR眼鏡讓參觀者身臨其境般體驗戰斗機的空戰對抗，親自感受戰斗機飛行員的駕駛視野。VR眼鏡采用Oculus Rift DK2，是借助計算機及傳感器技術創造的一種人機交互手段。其技術原理是利用人左右眼圖形呈現的視差，通過3DVR眼鏡讓視差畫面，左眼、右眼依序交替重復地在顯示器上出現，同時利用設備中的陀螺儀來偵測參觀者頭部擺動數據，以便與虛擬空戰場景相匹配，達到虛實結合。

⑥ 軟件流程圖

[RFID啟動

進入虛擬場景

操作手柄進行游戲

結束][佩戴眼鏡]

5.3 腳本編寫

詳細腳本可以在展品總體計劃之后確定，內容包括確定動畫的總長度和確定分鏡頭的長度。根據模擬腳本對每個子任務進行分解。一般來說，高質量的動態模擬展品需要由不同專業知識的人共同完成，包括各領域專家、動畫師和音頻設計師，他們對技術問題有更深入的了解，且分工明確（表1）。

5.4 VR場景規劃

羅列劃分出不同的場景、輸出場景列表；VR場景構建，對每個場景需要實現的功能和業務邏輯進行具體描述，繪制出2D場景平面圖，圖中應包含當前場景中的所有對象[4]。

5.5 三維建模

虛擬場景中的模型和紋理都應來源于并忠實于真實的場景，可先通過攝像頭采集真實場景中材料的紋理貼圖和真實場景中的平面模型，然后使用PS圖像處理軟件和瑪雅、3dmax處理紋理進行真實場景的三維模型建立。

5.6 構建虛擬平臺

將三維模型、紋理等素材導入Unity3D構建虛擬平臺。

5.7 渲染

在Unity3D平臺通過音效，圖形界面，插件，燈光設置渲染。

5.8 編寫交互代碼

編寫時注意交互環境要友好，良好的交互環境可提升用戶的學習興趣。

5.9 發布設置

VR發布平臺的開放，需要整個行業協同制定標準，開放自己的接口和平臺，幫助更多開發者和用戶直接對話，共同推動VR產業的快速發展。

【參考文獻】

【1】任星.淺談虛擬現實技術及其在科技館中的應用[J].科學教育，2008（04）：112-112.

【2】特榮夫.科普展覽中基于虛擬現實技術的研究與應用[D].北京：北京郵電大學，2009.

【3】宋乃亮.虛擬現實技術在科普教育中的研究及實踐[D].北京：北京郵電大學，2009.

【4】何琳.基于 VR 的生態博物館虛擬展示平臺設計初探[J].測繪與空間地理信息，2012（6）：80-81+84.endprint