虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)在現(xiàn)代科技館中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

白彩琴 胡玲娜

摘 要：目前傳統(tǒng)的科技館展覽形式已經(jīng)趨于穩(wěn)定，模式基本固定，科技館觀眾也在不斷流失，基于此科技館急需通過引進先進技術(shù)拓展展教形式，豐富展教內(nèi)容，為其持續(xù)發(fā)展注入新的活力。VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，使得科技館展教形式得到有力補充，科技館功能得以進一步發(fā)揮，也為展教形式的創(chuàng)新提供了新的思路，因此越來越受到科技館業(yè)界的重視。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；現(xiàn)代科技館；應(yīng)用現(xiàn)狀；前景展望

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0250-02

2007年8月1日，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會編輯的“科技館建設(shè)標準”（建標101-2007）正式試點。此標準中明確科技館的核心功能是“讓觀眾參與的互動科學(xué)展覽和教育活動。”其中強調(diào)，科技館的核心功能之一是“觀眾可以參與的互動科學(xué)展覽”。要想達成這一目的，就要求科技館在展品設(shè)計及展教形式上必須有所創(chuàng)新。虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了很好的推廣和應(yīng)用，因為它可以與科學(xué)技術(shù)博物館的功能完美結(jié)合。也使創(chuàng)新的展教思路得到了更切實際的落實，因此越來越受到科技館業(yè)界的重視。本文首先介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念、特點及發(fā)展歷程，并以科技館的虛擬現(xiàn)實技術(shù)展品為例闡述此技術(shù)在科技館中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展前景，以期為新建科技館展品設(shè)計及展品改造提供理論及實踐指導(dǎo)。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，也稱為“沉浸技術(shù)”，是一種新的計算機領(lǐng)域技術(shù)，是立體顯示技術(shù)和計算機圖像技術(shù)等各種技術(shù)的結(jié)合。該技術(shù)使用計算機通過各種傳感設(shè)備生成近乎真實的模擬環(huán)境，使參與者能夠直觀地進行實時感知，沉浸在一種非常接近現(xiàn)實的場景中，在與模擬世界物體的交互中產(chǎn)生非常逼真的感受[1]。

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程

根據(jù)演變過程，通常認為虛擬現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)歷了四個階段：蘊藏虛擬現(xiàn)實技術(shù)思想的階段；萌芽階段；概念和理論產(chǎn)生的初步階段；理論完善和應(yīng)用階段[2]。

第一階段被稱為蘊藏虛擬現(xiàn)實技術(shù)思想的階段。1935年，美國的Stanley G.Wenbaum發(fā)表的短片科幻小說“皮格馬利翁的眼鏡”中描述了一副眼鏡。參與者戴上這種眼鏡后可以進入一種虛構(gòu)世界，因此這款“皮格馬利翁的眼鏡”被認為是世界上最早的虛擬現(xiàn)實眼鏡維形。1838年，英國的查爾斯惠斯通爵士發(fā)現(xiàn)并確定了立體圖原理，首次證明人所看到的圖像實際是在雙眼視野范圍互相重疊下而形成的。該原理是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中視覺三維效果的重要基礎(chǔ)。1957年，摩登海里戈發(fā)明了沉浸式體驗機器Sensorama，可提供具有全部感官的觀影體驗。1961年，美國飛歌公司發(fā)明了世界上第一個有運動動追蹤技術(shù)的頭顯設(shè)備“Headsight”。體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)思想的上述典型發(fā)明被稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的前身。

第二階段稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新生階段。1965年，伊凡蘇澤蘭定義了一種“終極顯示器“概念，即此“終極顯示器”可以提供讓使用者無法區(qū)分與現(xiàn)實世界的差異的內(nèi)容。而且此概念一直沿用至今。在此基礎(chǔ)上，Ivan Suzelan于1968年制作了懸掛式虛擬現(xiàn)實設(shè)備“達摩克利斯之劍”。

第三階段：1973年至1989年間，被稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念和理論的初始階段。在此期間，VIDEOPLACE和VIEW是兩種典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。VIDEOPLACE系統(tǒng)由M.W.Krueger設(shè)計運營。1985年，為了增強宇航員的臨場感，使其能更好的在太空開展工作，美國航空航天局（NASA）啟用虛擬現(xiàn)實設(shè)備“VIVEDVR”計劃，以此打造沉浸式宇宙飛船駕駛模擬訓(xùn)練中心。1987年，美國VPL公司的創(chuàng)始人杰倫·拉尼爾正式創(chuàng)造了虛擬現(xiàn)實這個詞，發(fā)明了系列的運動追蹤外設(shè)，其中包括用于全身追蹤的緊身衣和僅追蹤手部動作的手套。

第四階段被稱為理論完善和應(yīng)用階段。這個階段是虛擬現(xiàn)實技術(shù)從研究到應(yīng)用的過渡。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，它已廣泛應(yīng)用于人類生活的各個領(lǐng)域，如科研，航空航天，體育娛樂，醫(yī)療檢查，軍事活動等。如北京航空航天大學(xué)在分布式飛行仿真中的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用虛擬規(guī)劃和虛擬設(shè)計；娛樂方面，卡普空、貝塞斯達和 Rockstar games等老牌游戲發(fā)行商也開始嘗試將經(jīng)典的游戲IP被制作成VR內(nèi)容，如“生化危機”，“毀滅者”和“黑洛杉磯”等。大大增強虛擬現(xiàn)實的娛樂性；在醫(yī)學(xué)中，可以建立虛擬人體模型，以幫助學(xué)生通過一系列設(shè)備去了解感受人體內(nèi)各種器官的結(jié)構(gòu)。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

（1）沉浸性。也被稱為沉浸式，參與者感覺他們完全處于虛擬世界中，被虛擬現(xiàn)象所包圍，感覺像是真實的。最理想的虛擬世界能夠讓參與人員對虛擬于現(xiàn)實難以區(qū)分。（2）交互性。指參與者可以在多大程度上指導(dǎo)虛擬環(huán)境和自然反饋水平。比如參與者通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)去體驗過山車的感覺，他會有上下顛簸和失重的感覺。參與者也可以伸手去抓取虛擬環(huán)境中的物體，他們會有真實的抓握感覺，同時抓住的東西會隨著參與者的動作而移動。（3）想象性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了大量的想象空間。虛擬環(huán)境可以是真實存在的，也可以是想象出來的。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代科技館的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 在展覽教育上的應(yīng)用

展覽教育是科技館的基本功能之一，傳統(tǒng)展板形式展覽甚至目前比較普遍的簡單互動展覽已經(jīng)很難引起觀眾的興趣，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用使科技館進入了展覽教育互動參與的新模式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)打破了空間和時間的限制，把枯燥乏味的科學(xué)知識轉(zhuǎn)變?yōu)楸普娴奶摂M現(xiàn)實圖形，使科學(xué)和趣味得到完美結(jié)合，激發(fā)了觀眾極大地參與熱情，展教功能得到充分發(fā)揮。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助觀眾體驗在現(xiàn)實生活中不易實現(xiàn)的體驗。例如，在山西省科技館的新虛擬現(xiàn)實體驗館?！疤摂M現(xiàn)實模擬駕駛平臺”中，參與者可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)真實體驗到路面顛簸、車體傾斜、運動加速、碰撞、飛躍、換擋沖擊等感受。接近真實汽車的坐姿和操作，通過方向盤、踏板等設(shè)置又為體驗者營造出一種真實的駕駛模擬體驗。同樣在一款多自由仿真模擬器與虛擬現(xiàn)實頭顯相結(jié)合的“虛擬現(xiàn)實模擬飛行平臺”中，為體驗者呈現(xiàn)出真是的模擬飛行環(huán)境，體驗者可以通過平臺體驗到海面場景、高山場景、城市場景三個不同飛行場景界面下飛機起降、翻滾、旋轉(zhuǎn)等動作。滿足觀眾探索心理。再比如山西省科技館專門結(jié)合本地特色設(shè)置的“黃土劇場”，以“黃土的成因”為主題，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用燈光效果和幻像成像技術(shù)，利用表演場景中表演者的外觀和消失，表演者真人和其影像在舞臺上交替出現(xiàn)，激發(fā)觀眾探尋興趣，幫助觀眾了解比較枯燥的內(nèi)容[3]。

2.2 在科技培訓(xùn)教育上的應(yīng)用

科技培訓(xùn)是科技館的重要社會功能之一，虛擬現(xiàn)實技術(shù)使得科技館展教形式實現(xiàn)了重大突破，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為參與者創(chuàng)造“自學(xué)”環(huán)境，使得參與者通過自身和環(huán)境的互動而獲得更為直觀和深刻的感受而非“以教促學(xué)”的傳統(tǒng)說教式教育，同時可以不受到標本和場地等的限制，大大降低了培訓(xùn)費用的使用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用在科技館開展青少年航空模擬培訓(xùn)成為可能，另外，科技館引入的利用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的生存技能展項如火災(zāi)逃生訓(xùn)練展項，極大地改善了觀眾的真實體驗。

2.3 在科學(xué)實驗教育上的應(yīng)用

科學(xué)實驗教育的主要功能是積極鼓勵學(xué)生探索和培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)，分析和解決問題的能力。通過一系列巧妙的課程設(shè)置激發(fā)其實踐探索的潛力，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，傳播科學(xué)精神，提高科學(xué)素養(yǎng)。但是，由于各種條件，科學(xué)實驗教育的功能很難實現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用恰恰彌補了這一不足。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以建立包括物理、化學(xué)、生物等各種不同學(xué)科的實驗室，傳統(tǒng)實驗室很難跟它相比。比如，傳統(tǒng)實驗室可能一次只能圍繞一個主題進行一項實驗，而且只能進行一些現(xiàn)象的觀察，但利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不但能產(chǎn)生傳統(tǒng)實驗無法比擬的視覺效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)交互圖形的處理，讓參與者感受到圖形以外的聲間和觸感。參與者通過一系列傳感裝置，不僅能在充分感知虛擬世界的信息，而且還可以做出相應(yīng)的選擇或動作。更重要的是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)在不同的實驗場景中的自由切換，而這只需通過輸入不同的處置方案即可實現(xiàn)，大大簡化了實驗流程，提高了效率。因此，越來越多的科技館開始建造虛擬實驗室。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代科技館的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科技館中的具體應(yīng)用，使得創(chuàng)新的展教思路得到了更切實際的落實，因此越來越受到科技館業(yè)界的重視[4]。

3.1 幫助實現(xiàn)新領(lǐng)域的展示

某些學(xué)科由于其內(nèi)容豐富多彩，但難以用科技館的方式進行展示，或者說難以設(shè)計出適合科技館展出的展品，導(dǎo)致不能在科技館大規(guī)模展出或者展陳手段陳舊難以激發(fā)公眾興趣，比如說生物學(xué)的內(nèi)容，那如何才能更好的表現(xiàn)這部分內(nèi)容呢？我們可以通過目前最為簡潔的虛擬方式來實現(xiàn)，比如說我們可以利用虛擬顯示技術(shù)設(shè)計一個在細胞中遨游的場景，讓人們通過此項技術(shù)真實感受細胞中的神奇奧秘。如此一來，枯燥乏味的知識變成了“沉浸式”體驗活動，想必會激發(fā)公眾更大的參與熱情。

3.2 作為實體載體的有效補充

目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但仍存在許多問題，比如說單純利用此項技術(shù)效果不夠逼真，因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)物理顯示技術(shù)相結(jié)合，進行科學(xué)展示將是一個不錯的選擇。例如，江蘇科技館的“月球火箭”展覽允許參加者進入模擬登月艙，離開空間站觀看月球。使用障礙物檢測，回避技術(shù)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的軟著陸等技術(shù)，體驗登陸月球表面的過程。觀眾依靠儀表顯示器在月球模塊中行駛，選擇月球表面的著陸面，采取一系列措施，采用虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)實現(xiàn)。在月球模塊中起飛和降落過程中經(jīng)驗者的顛簸和振動由液壓系統(tǒng)完成。虛擬和真實顯示的這種組合將使觀眾感覺更真實。所以這個展項很受歡迎。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展不斷推動了科技館設(shè)計的進一步創(chuàng)新，另一方面極大拓寬了新建科技館展品設(shè)計及展品改造展示手段的設(shè)計思路，它的普及將為科技館提高科普展項展陳手段奠定堅固的基礎(chǔ)，為了使科技館以更加新穎的方式展現(xiàn)出面對公眾的強大技術(shù)保障。

參考文獻

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[2]汪威.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程及其應(yīng)用[J].赤子，2017，（14）：50.

[3]主福洋.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國新通信2012，（20）：37.

[4]李瑞宏，方家增.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科技館的應(yīng)用前景[C].2010年（浙江紹興）國際科技館專業(yè)委員會和國家科技館學(xué)術(shù)年會論文集，2010.