基于虛擬現實技術的地質科普實現與應用

商云濤，郭　慧，李曉蕾

(1.中國地質調查局發展研究中心，北京 100037；2.全國地質資料館，北京 100037)

1　信息時代地質科普的意義

地質科普已經成為地質調查公共服務的重要陣地，它是一項融探索性、趣味性、實用性和文化性的自然科學，現下互聯網、自媒體和可視化等信息技術發展迅猛，要求地質科普工作必須在作品、傳播等方面不斷創新，適應社會需求變化。

1.1　激發青少年學習自然科學的興趣

地質科普中所涵蓋的地質現象、科學知識等都具有極強的專業性，單調的以傳統的文字展板形式進行展示顯然已經不能滿足地質科普的目的，但通過專業地質人員對相關知識的解釋與加工，并根據青少年的特點生成不同類型的科普產品，使得相關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、崩塌等自然災害資料的整理，由專業地質人員以同屬易懂的語言對相應自然災害形成原因、預警措施和逃生手段進行普及，同時借助虛擬現實技術使得觀眾能夠直觀感受災害，向觀眾直接提供災害預防的知識儲備，以更加科學、高效的手段發揮地質科普價值[6]。青少年通過這種方式與地質知識進行直接交互，深化對知識的理解，增強好奇心，從而激發其對地質科學的興趣。

1.2　讓社會公眾了解地質

目前社會普通公眾對地質知識的需求和關注日益增加，地質工作成果的服務對象正慢慢由最初的僅為地質專業人員服務轉變為向普通大眾提供社會化服務。中國消費模式轉型推動的地質旅游、地質探秘、寶玉石鑒賞、生命與地球演化等地球科學文化產業已經發展成為新興產業，需要不斷的地質科普知識供給。通過科普創新，使得科普與日常生產、娛樂旅游和文化學習相結合，讓社會公眾更直觀高效的獲取和了解基礎地質、能源資源、地質環境、地球探測、地球系統認知等方面知識。

1.3　讓跨行業專家知道地質

通過地質科普讓跨行業專家知道地質工作是經濟社會發展重要的先行性、基礎性工作，服務于經濟社會的各個方面。加強地質工作，是緩解資源約束、保障經濟發展的重要舉措，是推進城鄉建設、開展國土整治的重要基礎，是防治地質災害、改善人居環境的重要手段[1]。例如在城市規劃工作中，充分使用地質環境巖土工程理論的指導作用，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先行工作，為規劃專家提供城市區域地質、水文地質、工程地質、環境地質等資料數據，科學論證，合理設計，綜合分析得出城市區域地基穩定性、地面穩定性和地質災害區劃等報告，為工程規劃建設和地質風險防控提供決策依據。

2　信息時代下的科普形式

當今世界，以互聯網為代表的信息技術日新月異，已滲透到社會發展的各個領域，深刻影響著人們的生產生活。中國網民規模不斷增加，據中國互聯網信息中心(CNNIC)《第40次中國互聯網發展狀況統計報告》顯示，截至2017年6月底，中國網民規模達到7.51億人，占全球網民總數的五分之一，互聯網普及率為54.3%，超過全球平均水平4.6個百分點，中國已經成為名副其實的互聯網大國，社會全面進入信息時代[2]。伴隨著信息化時代的到來，科普已由學校教育、書籍報紙、廣播電視節目、展館等傳統形式向網絡科普這一依托于互聯網的新型科普形式轉變，與傳統科普方式相比，網絡科普具有科普信息量大、查詢便捷、傳播速度快，具有全球性、實時性、交互性等優勢，極大的促進了科學思想、科學方法、科學知識的傳播與普及[3]。但是，網絡科普發展并不成熟，仍然存在目標人群不明確、展現形式單一、交互性差等不足。信息技術的不斷進步，使得原有傳統多媒體方式無法展示的內容成為可能。例如，利用三維建模技術，可以使得用戶通過網絡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，切實了解我國長征系列火箭、天宮和太陽系的相關科學知識。這種以計算機生成三維立體視覺、聽覺、觸覺和嗅覺的虛擬現實技術，使得用戶可以使用自己的第一感官來感知虛擬現實的實體，通過交互操作直接獲取相關知識。借助于現在較成熟的智能穿戴設備—VR眼鏡、耳機和數據手柄等，使得用戶自由的進入這個由計算機虛擬構建的“現實世界”的特殊場景之中[4-5]。這種方式可以使用戶直接與虛擬實體接觸，通過最直接的感受來激發人們的創造力，使得用戶在虛擬的“現實世界”中漫游，更加高效直接的獲取相關知識。同時由于其強大的交互性和趣味性，可以培養用戶獲取相關科普知識的興趣。

3　虛擬現實技術及其特點

虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術是計算機技術為核心，聯合其他相關科學技術，生成一個具備三維立體空間的實時動態數字化世界，借助必要的設備，用戶直接使用自身的視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等感官與數字化世界中的對象進行交互作用，相互影響，讓用戶如同身臨其境一般，從而產生面對真實環境的感受和體驗[7-9]。虛擬現實技術是人類在開展自然探索、自然認識過程中創造產生的一項高度綜合集成的技術[10]，它集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感、顯示及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統，使得人類可以利用其用于認識自然、模擬自然，進而更好的體驗、適應、了解和利用自然的科學技術與科學方法。虛擬現實技術具有以下四個重要特點。

1) 多感知性。多感知性就是虛擬現實能夠多維感知。即除了計算機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、運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實是應該具有人所具有的感知功能，人們在模擬環境中通過視覺觀看到色彩斑斕的環境，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世界交互(交流)，使我們浸沉于和真實世界一樣的環境中。

2) 存在感。又稱臨場感，是虛擬現實最主要的技術特征，它是指由計算機創建的一個模擬環境，讓用戶通過設備作為主角存在于模擬環境中，通過優化模擬環境的真實度，讓用戶有身臨其境的感覺，使得用戶感覺自己是模擬環境中的一份子。理想的模擬環境應該達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境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度(包括實時性)，用戶不僅可以使用鍵盤、鼠標和屏幕進行交互，還可以通過VR設備進行交互。例如，用戶通過VR眼鏡和VR數據手套等復雜傳感器設備用手去直接抓取模擬環境中的物體，這時手有握著該物體的觸感，感受相應物體的重量，同時可以看到物體也隨著手的挪動而相應移動。

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

4　虛擬現實技術在地質科普上的展現應用

地質科普目標人群為具備獨立思考能力，且有一定科學素養的人群，同時通過虛擬現實技術突破傳統意義上的時間與空間的局限為地質行業與社會各界溝通搭建橋梁，向社會公眾開展旅游地質、災害預報防治和生態環境等方面的科普宣傳，展示中國地質的歷史、成就和在生活中的作用。現選取了以下兩種虛擬現實技術，來構建能使用戶充分沉浸的虛擬現實的模擬世界，達到更好的科普效果。

4.1　三維全景技術

三維全景技術(也稱實景虛擬)是基于全景圖像還原真實場景的虛擬現實技術[11]。通過將拍攝的一組或多組360°照片拼接成一個全景圖像，利用計算機技術實現全方位交互式瀏覽的真實場景還原展示方式。其技術流程照片拍攝→圖像拼接→生成場景的模式來完成虛擬現實的創建，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，用全景拍攝器材進行拍攝或者通過普通相機拍攝再進行圖像拼接。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，用普通相機在固定點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域(即交叉率)，一般相鄰照片需要重疊20%～25%。當拍攝范圍和交叉率確定后，根據使用相機的幅面、鏡頭的焦距和相機的擺放的垂直或水平的方向，計算確定拍攝照片的預估數和圖片像素的預計數，并按照計劃依次進行拍攝。

4.1.2圖像拼接

圖像拼接技術指的是將多幅相連且有交叉重復區域的圖像進行無縫拼接融合，以此得到360°全視域全景圖像的技術。現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的方法。在得到拼接好的圖像后，還需要對圖像重疊部分進行處理，以實現圖像的無縫拼接。目前經常采用的一種簡單的圖像縫合技術就是線性插值法(Linear Interpolation)。

4.1.3場景生成與驅動

場景生成與驅動是通過漫游合成軟件將多個全景圖片進行合理的空間編輯與組織，生成可供用戶進行場景跳轉、場景漫游，通過在場景內添加熱點，點擊實現科普信息的展示與交互。

4.2　三維建模技術

三維建模技術(3D Modeling)是運用計算機技術構建出具有三維數據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、材質等屬性進行精確模擬，以實現三維實體的真實再現，為用戶創建一個身臨其境、形象逼真的環境。

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，通過3D軟件(如3D Max、MultigenCreateor、Maya及Superscape VRT等)進行平移、旋轉、拉伸以及布爾運算等一系列幾何操作來構建場景。

2) 材質貼圖。虛擬現實場景中的模型除了具有良好的幾何造型外，還需要通過材質貼圖來表現物體的物理屬性和外形特征，藉此進一步增強三維模型的真實感。

3) 燈光渲染。燈光渲染是通過設置光源性質(鏡射光、 漫射光和環境光)、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，來增強場景真實感，美化整體效果。

4) 成果導出。在場景制作完畢之后，可根據網絡虛擬現實插件的要求導出HTML5格式場景文件。同時需要注意材質貼圖、內部動畫的導出。

4.2.2場景導入與驅動

通過網絡虛擬現實插件來驅動場景和模型，根據需求添加相應控件按鈕，以此實現多場景間的跳轉切換和與用戶的交互。

5　實例及成果

利用虛擬現實技術的多元應用性建設在線展覽館——“中國地質調查歷史與成就展館”，通過時空結合、動態交互的展示技術，展現中國地質調查的百項成果、百項理論、百項技術，突出展示地質行業發展過程中的重要人物及其所做貢獻，向社會公眾開展相關地質方面的科普宣傳。

5.1　三維場景建立

5.1.1三維全景技術

圖片拍攝采用普通數碼相機、魚眼鏡頭(180°)、三腳架，每個場景拍攝4張照片，每拍完一張水平旋轉90°，相鄰兩種照片之間重疊交叉率為50%。選用pix maker pro軟件進行圖像拼接，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，進行相應參數設置，根據實際需求調整圖像質量和顯示大小，添加導航按鈕、可滾動縮略圖以及重力感應插件等。最后輸出一個HTML5文件格式，將全景展示文件直接嵌入網站頁面里，發布后，使用者就可以通過互聯網進行在線瀏覽(圖2)。

圖2　三維全景效果圖

5.1.2三維建模技術

三維建模技術主要使用3D MAX建立相應場館模型，模型為虛構場景。建模過程主要采用多邊形建模方法，材質和貼圖主要參照現實博物館布設進行，通過加裝射燈和展板背景燈等光源進行燈光渲染，提升整體模型真實度。

5.2　成果展出

虛擬展館已上線服務運轉，目前主要包含5個分館，分別是：①地質調查歷史館，回顧中國地質調查事業走過的百年風雨歷程；②地質調查成就館，展示中國地質調查事業取得的輝煌成績；③地質人物館，展示為中國地質行業發展做出卓越貢獻人物風采；④地質成果專題館，多維度展示地質行業的發展和對社會國家所產生的重要作用；⑤地質實景館，展現地質一線工作場景，讓社會公眾更加了解地質，理解地質工作者。其中前四個館使用的是三維建模技術，而地質實景館使用三維全景技術構建。通過在線展出后，受到了大量用戶的好評，取得了預期效果，達到了普及地質知識，推進信息化發展的目的。

6　結　語

技術的進步是不可逆轉的，虛擬現實技術已展現出來強大的生命力，齊應用的領域涵蓋了軍事、制造、醫療、交通等行業。在當今社會，公眾對科普的需求呈現個性、豐富和多元化，將虛擬現實技術與地質科普工作結合，將給科普工作帶來革命性的變化，用戶在碎片化的時間里使用VR設備和手機瀏覽的方式，在虛擬的地質科學世界里遨游，獲得理性的科學知識和虛擬視覺感官體驗，切實增強地質科學的吸引力和普及率，不斷推動傳統的科普手段升級與更迭。

[1]秦紀民.加強地質工作 緩解資源約束 保障經濟發展[N].人民政協報,2006-03-04(C02).

[2]宋乃亮,特榮夫,馮甦中.虛擬現實技術在科普教育中的研究與實現[J].科普研究,2010,28(5):29-33.

[3]蘇冰,史玉民.我國科普網站發展現狀、問題及對策探析[J].未來與發展,2008(5):24-28.

[4]方浩,袁醫靈,王中,等.基于虛擬現實技術的地球科普展示設計研究[J].藝術與設計:理論,2017(7):62-64.

[5]周婷婷,吳綿.當代地質博物館展示設計新構想——基于虛擬現實技術的展示設計[J].現代裝飾:理論,2014(7):25-31.

[6]李曉蕾,齊釩宇,賈麗瓊,等.新時期下推進地質資料開發利用的思考[J].中國礦業,2017,26(6):66-71.

[7]BURDEA G，COIFFET P,等.虛擬現實技術[M].魏迎梅,欒悉道，譯.第二版.北京:電子工業出版社,2005.

[8]單美賢.虛擬現實與教育相結合的理論依據[J].開放教育,2001(6):1675-1682.

[9]胡小強.虛擬現實技術基礎與運用[M].北京:北京郵電大學出版社,2009:53.

[10]王曉鳴,張育芳,李暉.淺析交互式虛擬展示設計[J].藝術與設計：理論,2010(8):20-23.

[11]楊曉花,鄭雪婷,王玨婷,等.基于全景虛擬現實技術的科普系統[J].網絡與信息工程,2017(7):64-65.

[12]王鈺婷,王曉昭,郭云霜,等.基于3DMax和全景虛擬現實技術的科普平臺搭建[J].信息通信,2017(4):124-126.