大型科研設(shè)施的數(shù)字化和信息傳承與保護的研究

趙正旭 張濤 宋立強 李東年 王威 孫才紅

摘 ?要： 介紹了以美國阿雷西博望遠鏡為例的大型科研設(shè)施的信息傳承與保護的困境。為了傳承和保護我國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）設(shè)施的信息，在研究數(shù)字化技術(shù)對信息傳承與保護作用的基礎(chǔ)上，提出一種利用數(shù)字化技術(shù)對FAST信息傳承與保護的方案。通過創(chuàng)建FAST的三維模型、對模型分類編碼并利用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)對其進行展示，可以有效的傳承和保護FAST信息，為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護提供了借鑒。

關(guān)鍵詞： 500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）; 傳承與保護; 數(shù)字化; 虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2019）10-36-04

Abstract： This paper introduces the dilemma of information inheritance and protection of large scientific research facilities by taking the Arecibo Telescope in the United States as an example. In order to inherit and protect the information of China's Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope （FAST） facility， a scheme of using digital technology to inherit and protect FAST information is proposed on the basis of studying the role of digital technology in information inheritance and protection. By creating a three-dimensional model of FAST， classifying and coding the model and displaying it with virtual reality technology， the information of FAST can be effectively inherited and protected， which provides a reference for the inheritance and protection of large scientific research facilities.

Key words： Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope（FAST）; inheritance and protection; ?digitization; virtual reality

0 引言

大型科研設(shè)施作為研究前端科學(xué)的重要工具，對促進科技發(fā)展發(fā)揮著重要作用。以美國阿雷西博望遠鏡為例，曾在天文學(xué)研究方面做出巨大貢獻，然而面對自然的侵蝕以及高昂的維修費用，阿雷西博已銹跡斑斑，面臨被關(guān)閉的風(fēng)險。2016年我國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）接力阿雷西博成為世界上第一大望遠鏡，如何對FAST設(shè)施信息進行傳承與保護，避免遭遇阿雷西博的困境，是亟待解決的問題。當(dāng)下信息技術(shù)的飛速發(fā)展，豐富的數(shù)字化技術(shù)為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護帶來新契機。

1 大型科研設(shè)施狀況及困境分析

1.1 阿雷西博望遠鏡概況

阿雷西博射電望遠鏡，位于美國波多黎各天然的喀斯特洼地中，口徑為305米，后擴建為350米，由美國國家科學(xué)基金會（NSF）與中佛羅里達大學(xué)（UCF）及其合作伙伴共同運營[1]。從1963年建成，到2016年7月中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）建成前的50多年間里，阿雷西博一直是世界上最大的單口徑望遠鏡[2]。

阿雷西博望遠鏡在太陽系天體研究、脈沖星等方面成績卓著。最激動人心的觀測成果是，1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了第一個雙星脈沖星PSRB1913+16，其研究成果證實了引力波的存在，這一成就使他們后來獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎[3];1990年，波蘭天文學(xué)家Aleksander Wolszczan發(fā)現(xiàn)了脈沖星PSRB1257+12，隨后發(fā)現(xiàn)了它的三顆軌道行星，又一次轟動了科學(xué)界，這是人類首次發(fā)現(xiàn)太陽系外的行星系統(tǒng)[4]。

阿雷西博望遠鏡是著名的不可思議的建筑物之一，它于2008年被列入美國國家歷史遺跡名錄，并且因其壯觀的外形受到諸多影視作品的青睞。風(fēng)靡全球的詹姆斯·邦德電影《007之黃金眼》與好萊塢電影《超時空接觸》都曾在這里取景拍攝[5]。

1.2 阿雷西博望遠鏡的困境

近年來，阿雷西博望遠鏡幾經(jīng)易主，一直飽受資金問題的困擾。從20世紀(jì)70年代建成起，阿雷西博望遠鏡一直由康奈爾大學(xué)管理;2011年運營商轉(zhuǎn)換為斯坦福國際研究院（SRI）、大學(xué)空間研究協(xié)會（USRA）和波多黎各城市大學(xué)（UMET）;2018年中佛羅里達大學(xué)（UCF）宣布接管阿雷西博望遠鏡。從2006年起，美國國家科學(xué)基金（NSF）連續(xù)大幅度削減對阿雷西博望遠鏡的研究經(jīng)費，如果無法獲得其他資金來源，面臨被迫關(guān)閉的風(fēng)險;2017年，颶風(fēng)瑪麗亞導(dǎo)致阿雷西博望遠鏡上方大型饋源天線斷裂，并砸壞了主反射面，需要高達1430萬美元的費用來維修，這進一步給阿雷西博的未來蒙上了陰影[6]。

阿雷西博望遠鏡已經(jīng)56歲了，曾經(jīng)風(fēng)光無限，如今飽經(jīng)風(fēng)雨、年久失修、銹跡斑斑，遠遠望去猶如大型垃圾場，前景堪憂，令人唏噓不已。2016年我國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）接力阿雷西博成為世界第一大望遠鏡，阿雷西博的困境不得不引起對大型科研設(shè)施保護的注意，如何避免我國FAST遭遇同樣的問題，讓FAST設(shè)施的信息得到有效保護和長遠發(fā)展，是亟待解決的問題。當(dāng)前科技迅速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)對大型科研設(shè)施信息傳承與保護提供了新途徑，這是大型科研設(shè)施保護工作的福音，也是數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新運用。

2 數(shù)字化為大型科研設(shè)施的傳承與保護帶來新機遇

2.1 為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護提供多種技術(shù)手段

數(shù)字化時代涌現(xiàn)的各種各樣的數(shù)字化技術(shù)手段，為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護提供了有力的技術(shù)保障。運用數(shù)字?jǐn)z影、全息拍攝和三維掃描等技術(shù)對大型科研設(shè)施的信息進行數(shù)字化采集，將大型科研設(shè)施信息資料記錄下來，有利于大型科研設(shè)施信息的保存;利用數(shù)字化的信息處理技術(shù)，將大型科研設(shè)施信息進行分類整理，構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫，存儲于計算機硬盤、云盤等介質(zhì)中，可實現(xiàn)對信息的有效存儲和便捷訪問;運用數(shù)字媒體、虛擬現(xiàn)實及可視化等技術(shù)，對大型設(shè)施進行還原及創(chuàng)建虛擬情境，可以直觀形象地對其進行多維度的展示，從而給予有效的保護和傳播[7]。

2.2 加快大型科研設(shè)施的推廣傳播，增加其受眾群體

數(shù)字化時代多樣的傳播渠道和方式，加快了大型科研設(shè)施的推廣傳播，增加了其受眾群體。數(shù)字廣播、數(shù)字影視及智能手機等新媒體技術(shù)豐富了大型科研設(shè)施的傳承渠道和空間，特別是智能手機終端，更加方便了人們了解信息。大型科研設(shè)施作為國之重器，對于人才培養(yǎng)和科學(xué)研究發(fā)揮了重要作用，一旦其信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)，通過數(shù)字化時代豐富的信息傳播方式，就會大大增加大型科研設(shè)施信息傳承的受眾群體，使普通百姓也能了解重要科學(xué)工具，這對于大眾科普具有重要意義[8]。

3 大型科研設(shè)施數(shù)字化傳承與保護途徑

中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），被譽為“中國天眼”，屬于國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，用來實現(xiàn)大天區(qū)面積、高精度的天文觀測，是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。FAST是天文學(xué)家南仁東于1994年提出的構(gòu)想，由中國科學(xué)院國家天文臺主導(dǎo)建設(shè)，以貴州省平塘縣喀斯特地貌洼坑為臺址，歷經(jīng)22年，于2016年落成啟用[9]。截至2018年，F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)59顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星候選體，其中有44顆已被確認為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星[10]。FAST擁有30個標(biāo)準(zhǔn)足球場大的接受面積，能夠接收到137億光年以外的電磁信號，觀測范圍可達宇宙邊緣，綜合性能是著名的阿雷西博望遠鏡的10倍，未來20至30年將保持世界領(lǐng)先地位，并將吸引國內(nèi)外一流人才和前沿科研課題，成為國際天文學(xué)術(shù)交流中心[11]。

阿雷西博望遠鏡遭遇的困境，敲響了對FAST保護的警鐘。FAST由于地處偏僻以及避免電磁污染，不便現(xiàn)場觀看，為了對FAST設(shè)施信息進行傳承與保護，下面提出一種方案。根據(jù)FAST的圖紙創(chuàng)建其三維模型，并對三維模型分類編碼，再利用VR虛擬漫游技術(shù)實現(xiàn)場景漫游，構(gòu)建出可視化的FAST三維模型動態(tài)展示系統(tǒng)。該方案以推動FAST的科普教育和成果推廣，輔助FAST的使用維護及發(fā)展規(guī)劃，為大型科研設(shè)施FAST的傳承與保護提供強大的數(shù)據(jù)信息支撐。

3.1 創(chuàng)建三維模型

對物體進行三維建模，主要是在三維空間中，對其形狀、顏色、材質(zhì)、光照、運動等本質(zhì)屬性進行研究表達，進而達到三維再現(xiàn)的過程[12]。三維建模構(gòu)造出來的三維場景所帶來的沉浸式的感官體驗遠遠超過二維場景，并且通過構(gòu)建三維模型，可以有效的保存FAST設(shè)施各部件的精確信息，起到信息傳承與保護的作用。FAST設(shè)施的核心部分為主動反射面系統(tǒng)，它由四千多塊反射面單元面板組裝成口徑為500米的球狀反射面主體，每塊反射面單元面板對應(yīng)著支撐它的背架及索網(wǎng)，索網(wǎng)包含6670根主索及2225根下拉索，每根下拉索連接著一個促動器，通過地錨固定在地面上，能實現(xiàn)實時控制下形成瞬時300米口徑拋物面的功能。

FAST如此復(fù)雜龐大的結(jié)構(gòu)需要采用合適的建模方法及建模工具，三維建模的核心就是根據(jù)物體的三維空間信息構(gòu)造出其幾何模型。FAST的三維空間信息需要通過研究其復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)并且采用合適的算法運用計算機程序建立三維空間特征點的空間位置與二維圖像對應(yīng)點的坐標(biāo)間的定量關(guān)系，進而確定研究對象表面任意點的坐標(biāo)值，再根據(jù)物體的尺寸、形狀、坐標(biāo)等屬性信息構(gòu)造它的三維幾何模型。目前常見的三維建模軟件包括3DS Max、Autodesk Maya及Blender等，而Blender憑借其可跨平臺、開源免費、便捷小巧、兼容性強等優(yōu)勢，特別是內(nèi)置Python腳本，極大地提高了建模效率，成為FAST建模工具的不二之選。

3.2 模型分類編碼

FAST各部分三維模型數(shù)以萬計，零件細節(jié)更是繁瑣復(fù)雜，如何有效的管理、調(diào)度、檢索、控制這些三維模型是亟待解決的問題。目前對三維模型的研究主要集中在分類和檢索上面，Lu等人將三維模型間的不相交信息和歐氏距離作為它們兩兩之間的距離度量，然后基于此距離度量將三維模型間的聯(lián)系構(gòu)造成一個圖的框架，最后用半監(jiān)督的方法估計三維模型的類別[13];陳蕾在文獻中提到一種對三維模型分類編碼的管理方法，采用巴克斯范式規(guī)范地描述三維模型文件，并設(shè)計一種分類編碼器對模型進行分類，可以有效地對三維模型進行規(guī)范化管理[14]。FAST三維模型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)正需要規(guī)范化的管理，從而提高三維模型的調(diào)用速度，減小模型占用空間，提高模型復(fù)用率，保證三維模型使用的實時性。

3.3 VR虛擬展示

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）又稱靈境技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，被認為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科。虛擬現(xiàn)實是以計算機技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境的一種虛擬仿真技術(shù)。用戶可以借助一些可穿戴裝備，與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互，從而互相影響，達到身臨其境的沉浸式體驗[15]。虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，在很多領(lǐng)域都出現(xiàn)了開創(chuàng)性的引領(lǐng)作用，展露出了巨大的應(yīng)用價值，同時也為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護開辟了新途徑。圖1所示為FAST設(shè)施部分三維模型，待FAST三維模型全部創(chuàng)建完成之后，需要導(dǎo)入到虛擬仿真平臺中，利用VR技術(shù)，創(chuàng)建虛擬情景，對其動態(tài)過程進行還原，實現(xiàn)虛擬漫游及交互設(shè)計等功能，來對三維場景進行動態(tài)的展示[16]，以達到直觀形象、生動自然的保護與傳承FAST信息的效果。

4 結(jié)束語

大型科研設(shè)施是重要的科學(xué)工具，應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)在信息傳承與保護方面的優(yōu)勢，將物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)槿≈槐M用之不竭的信息資源。本文提出了一種對FAST信息數(shù)字化傳承和保護的方案，通過三維建模、模型分類編碼及VR虛擬展示技術(shù)，將FAST資源形成一個數(shù)字空間，這不僅有效的對FAST信息進行了傳承與保護，而且為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護提供了有參考價值的理論和技術(shù)依據(jù)。下一步的研究內(nèi)容是對FAST的模型分類編碼和虛擬展示工作的進一步完善。

參考文獻（References）：

[1] Clery，D.Arecibo telescope saved by university consortium [J].Science，2018.359（6379）：965–966

[2] 吳鑫基.世界上口徑最大的阿雷西博射電望遠鏡[J].太空探索，2004.1：40-42

[3] Taylor J H. DISCOVERY OF A PULSAR IN A BINARY SYSTEM [J]. Annals of the New York Academy of Sciences，1975.262（none）：490-492

[4] Wolszczan，A.Confirmation of Earth-Mass Planets Orbiting the Millisecond Pulsar PSR B1257+12[J].Science， 1994.264（5158）：538-542

[5] 阿雷西博天文臺簡介[A].中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、貴州省人民政府.第十五屆中國科協(xié)年會——500米口徑球面射電望遠鏡與地方發(fā)展論壇文集[C].中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、貴州省人民政府：貴州省科學(xué)技術(shù)協(xié)會，2013：2.

[6] Clery，Daniel.Hurricane damage threatens Arecibo＼"s future[J].Science，2017.357（6358）：1336-1337

[7] 賈秀清，王玨.數(shù)字化手段在我國文化遺產(chǎn)傳承與創(chuàng)新領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代傳播（中國傳媒大學(xué)學(xué)報），2012.34（2）：112-115

[8] 宋方昊，劉燕.文化產(chǎn)業(yè)視野下的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護與傳承策略[J].山東社會科學(xué)，2015.2：83-87

[9] Five hundred meter aperture spherical radio telescope （FAST） [J].Science in China （Series G： Physics， Mechanics & Astronomy），2006.2：129-148

[10] 張承民，李森.“天眼”遙望脈沖星[J].當(dāng)代貴州，2018.31：18-19

[11] 鄭永春，高原.走近中國“天眼”——FAST射電望遠鏡[J].軍事文摘，2016.20：46-49

[12] 畢碩本，張國建，侯榮濤，梁靜濤.三維建模技術(shù)及實現(xiàn)方法對比研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010.32（16）：26-30，83

[13] Lu K，Wang Q，Xue J，et al.3D model retrieval and classification by semi-supervised learning with content-based similarity[J].Information Sciences， 2014.281：703-713

[14] 趙正旭，陳蕾，郭陽.三維模型的分類編碼研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017.30（1）：104-110

[15] 楊歡，劉小玲.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)綜述[J].軟件導(dǎo)，2016.15（4）：35-38

[16] 石敏，王俊錚，魏家輝.真實感三維虛擬場景構(gòu)建與漫游方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2014.26（9）：1969-1974，1979