VR技术在科技馆展品中的应用改造

2017-09-08陈戈

中小企业管理与科技·中旬刊 2017年7期

陈戈

【摘要】科技馆是公益性的科普教育场所，是公民科学素质提升的重要阵地。论文以福建省科技馆在建设新馆过程中将陈设性展品改造升级为虚拟现实展品为例，对虚拟技术的概念、特性、开发环境等进行分析，阐述VR展品开发过程的问题和实现步骤。

【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.

【关键词】科技馆；展品改造；虚拟现实技术

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

【中图分类号】TP391 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0141-04

1 VR概述

1.1 定义

VR（虚拟现实技术），1989年由美国人J.Lanier提出，VR技术就是借助计算机技术及硬件设备（如VR眼镜、传感器）等，产生一种可以通过人的感知器官与之互动的三维虚拟环境，使人可以沉浸其中，忘记现实的存在，是一种较之以往技术更为先进的人机交流界面，故又称之为幻境或灵境技术。

VR技术虽然已经提出二三十年，但它主要应用于军事、科研领域，目前随着计算机技术的快速发展，数据处理能力的提高，VR技术也迅速发展起来，其高精度、通用性、价格便宜的优势也逐渐突显，这为VR技术进入科普领域提供了可能。2017年1月15日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》中指出，加紧人工智能、虚拟现实、增强现实、微机电系统等新兴移动互联网关键技术的布局，这为VR技术的推广和发展提供了强有力的支撑。目前，VR技术与科学实验、理论分析一起成为人类认知自然规律的三大手段。

1.2 VR的特性

1.2.1多感知性

真正的VR技术应该具备人类感知的全部功能，它可以模拟人的触觉、力觉、视觉、听觉、运动知觉等。但目前味觉、嗅觉感知还无法模拟，其感知范围和灵敏度也无法与人类相比。

1.2.2 沉浸感

沉浸感是指用户通过电脑上产生的3 D虚拟环境，体验身临其境的感觉，其真实程度越高，用户越可以更充分地进入虚拟世界，所谓的“沉浸”体验感就越强。

1.2.3 实时性

实时性利用的是在虚拟环境中物体运动的反应程度与现实中物体运动的反应规律相符。也就是说，根据计算机操作员的要求，虚拟对象可以根据各自模型的运动规则实时响应。

1.2.4 交互性

它是指操作者在使用VR設备时，其对操作者的动作能否能做出自然、快速、符合规律的反应，另外，交互性与实时性是不可分割的。

1.3 VR技术应用在科普教育中的意义

①实体科普场所需要投入大量的资金设备且占地面积大，设备运输、维护不便，VR技术的应用可减少在科教硬件设备上的投入，且维护成本低廉；

②VR技术可打破时间与空间的限制，应用于现实世界中不可能接近地域和事物的探索，如星际空间、月球、火灾现场等；

③VR技术可应用于危险的实验和需要长时间才能有效测量的实验；

④VR技术可在想象的空间与真实的人进行交流；

⑤VR技术可支持重复设计，以减少实验成本；

⑥VR技术可与历史人物等虚拟人进行交流。

2 VR的硬件设备与软件技术

2.1 VR硬件设备

①建模设备（3D扫描仪），也称为三维立体扫描仪，用于捕捉物体表面的三维坐标和物体的三维数字模型[1]。该设备可用于逆向工程、快速成型、三维检测（机器视觉测量）等。

②三维视觉显示装置（如VR头盔）是利用左右眼获取环境信息的差异，产生立体三维的图像，让使用者置身于虚拟环境之中，它具有小而封闭的特点，在仿真军训、模拟驾驶、虚拟展馆等项目中有着广泛应用。

③声音设备（如三维立体音效系统），这种系统可以根据声音对人体所产生的反射，跟踪、定位操作者头部的位置，使声音随着操作者位置的变化而相应做出变化，从而得到高仿真的三维立体音效。

④交互设备（人机交互设备），其主要包括数据手套、操纵杆以及运动捕捉系统。

数据手套是一种较常见的三维交互工具。它运用磁定位传感器来感受手指的动作和精确手在空间中的位置，从而在虚拟环境可以自由抓取、旋转、翻转物体。

目前市面上运用最多是的蓝牙操纵杆，它通过蓝牙协议与VR显示设备连接，使用户可以在虚拟环境中进行前后上下左右多维度的操控，适用于虚拟飞行等操作。endprint

在与VR系統的交互中，设备需要确认操作者的方位姿势、运动的方向轨迹，并将监测的结果传输给显示系统和操控系统，从而有效模拟出人体在三维空间中的运动轨迹，达到人机互动的目的。

2.2 VR软件

VR软件指的是制作开发虚拟现实系统的三维图形图像处理软件。开发者一般先研发出核心引擎，然后在此基础上根据不同用户的需求，进行二次开发。

2.2.1 VRP虚拟现实编辑器

VRP虚拟现实编辑器主要运用于虚拟场景的3D模型导入和交互制作、特效制作、后期编辑、界面设计、打包发布等，适用于虚拟展馆、景点漫游等场景制作。

2.2.2 Unity3D

Unity3D是一款能是全面整合3D游戏引擎的多平台开发工具。它能在设计阶段，将各种不同设计软件所产生的三维模型，通过数据转制成虚拟展示的场景主体模型，再通过模型识别和LOD高阶渲染等技术，实现3D模型的在线虚拟展示。

2.2.3 VRPIE互联网平台

VRPIE互联网平台可直接面向所有互联网用户，能将3D场景编辑器制作的作品上传到网络，用户可在网络上对3D虚拟场景进行互动浏览。

2.2.4 VRP-MUSEUM虚拟展馆

VRP-MUSEUM虚拟展馆可将传统博物馆、科技馆展品展项的三维模型移植到互联网，实现观众足不出户就可以在线上进行数字虚拟展馆的参观游览。

3 VR技术的缺点

第一，VR技术虽然在硬件方面获得了较大进步，但在用户的沉浸感体验上还存在着许多缺失，问题主要集中在：

①屏幕分辨率：目前市面上的VR眼镜分辨率一般在1080P-2K，而如果人眼在观看时无强烈的颗粒感，需要屏幕分辨率需达4K以上；

②屏幕刷新率与延迟：由于画面刷新速度慢，肉眼在观看时会感到画面延迟拖沓，从而造成头晕。当屏幕刷新率达到60HZ以上，且图像从GPU处理完发送到屏幕的时间在20毫秒以内，才不会造成人眼的眩晕；

③可视角度：正常状态下，人眼最轻松的扫描一眼的横向幅宽为120度，极限接近180度。这就决定了我们大部分浏览行为是横向扫描。目前VR眼镜可视范围太小，达不到120度，眼球运动很容易就越过可视过界，影响观看体验和沉浸感；

④轻盈度：目前市面上VR眼镜多为500g左右，较为笨重，长时间佩戴会产生压迫感和不适感；

⑤交互方式：目前运用较多的是蓝牙遥控器，交互方式不自然；

⑥眩晕感：普遍存在，易造成用户不适，无法长时间佩戴，青少年的视力处于发育阶段，因此头戴设备不适合12岁以下儿童使用。

第二，内容上的短板：

①VR的内容偏少，且多为娱乐游戏内容，针对青少年开发的科普内容更是少之又少，目前VR内容还没有统一的行业标准，且未出现里程碑式的作品；

②现有的VR内容不管是在故事叙述上，还是交互体验上，都与以往的娱乐游戏并无本质上的区别[2]。

4 VR展品开发中需要解决的问题

①以假乱真的模拟技术。如何合成与人体器官感觉一致的信息输入，即如何产生出与真实环境相同的感观、嗅觉、触觉等体验。

②相互作用。观察者可以主动、有力地操作VR设备，以获得不同的视点和更高层次的感知信息，也就是怎么可以看得更像，听得更真等。

③自律性现实。用户在体会虚拟现实的真实感而无意识自己的动作和行为，这需要用户与传感器、计算机仿真系统、显示系统构成一个闭环的交互流程。

④快速生成图像的实时感。在虚拟现实中，图像并不是一成不变的，它会随着用户眼部位置的改变而实时改变，就这要求VR系统以每秒30帧以上的速度生成图像，并配有实时音效，才能使用户达到身临其境之感。

5 福建省科技馆改造升级“歼七”战斗机VR互动展品的实例分析

5.1 充分了解改造原型

对改造对象进行深入研究，弄清模拟对象的工作原理，这是至关重要的一环。只有对模拟对象的工作原理有了清晰的认识后，才可充分理解其工作的动态过程，为以后的设计脚本奠定基础。如福建省科技馆将馆藏歼七战斗机改造为VR展品前，做了大量的深入调查，聘请航空方面的专家作为顾问，为展品的落地提供了技术保障。歼七系列战斗机是我国自行研制、大量装备、批量出口的一款优秀的第二代战斗机，已有近50年历史。该飞机退役后由成都飞机制造厂捐赠给福建省科技馆作为科教展品。原展品仅作为模型供游客参观，没有任何互动方式。福建省科技馆利用新馆建设的契机，将这件展品改造升级为VR互动展品。改造后，参观者可在工作人员的协助下进入战斗机座舱内，戴上仿真飞行员头盔（3DVR眼镜头盔），通过控制操作手柄进行虚拟空战，享受沉浸式的模拟驾驶体验。

5.2 策划展品文案

策划展品的文案，对展品的表现形式、展示方式、观众体验流程图、操作说明、技术方案、软件流程图等进行描述[3]。

①表现形式：展项结合真实的战斗机驾驶舱，让参观者佩戴3DVR眼镜头盔在歼7-Ⅱ型战斗机驾驶舱内，进行90s左右的虚拟空战追逐，感受战斗机飞行员的驾驶视野，实现虚实结合，寓教于乐。

②展示方式：参观者可在歼7-Ⅱ型战斗机舱外进行拍照合影，也可以直接进入座舱佩戴3DVR眼镜头盔，通过控制操作手柄进行虚拟空战体验。

③观众体验流程图：

[RFID门票

感应进入

管制区][佩戴仿真

飞行员

头盔][亲友协

助拍照

留念][进入

驾驶舱][协助佩

戴3DVR

眼镜][操作手柄进行模拟空战][离开游戏管制区]endprint

④操作說明

. RFID门票感应进入游戏管制区；

.佩戴仿真战斗机飞行员头盔，亲友拍照留念；

. 管理人员协助参观者佩戴好3DVR眼镜头盔；

. 参观者按下操作手柄上的按钮开始游戏；

. 控制操作手柄进行虚拟空战；

. 游戏结束，参观者有序离开游戏管制区。

⑤VR虚拟视景方案

展项通过3DVR眼镜让参观者身临其境般体验战斗机的空战对抗，亲自感受战斗机飞行员的驾驶视野。VR眼镜采用Oculus Rift DK2，是借助计算机及传感器技术创造的一种人机交互手段。其技术原理是利用人左右眼图形呈现的视差，通过3DVR眼镜让视差画面，左眼、右眼依序交替重复地在显示器上出现，同时利用设备中的陀螺仪来侦测参观者头部摆动数据，以便与虚拟空战场景相匹配，达到虚实结合。

⑥ 软件流程图

[RFID启动

进入虚拟场景

操作手柄进行游戏

结束][佩戴眼镜]

5.3 脚本编写

详细脚本可以在展品总体计划之后确定，内容包括确定动画的总长度和确定分镜头的长度。根据模拟脚本对每个子任务进行分解。一般来说，高质量的动态模拟展品需要由不同专业知识的人共同完成，包括各领域专家、动画师和音频设计师，他们对技术问题有更深入的了解，且分工明确（表1）。

5.4 VR场景规划

罗列划分出不同的场景、输出场景列表；VR场景构建，对每个场景需要实现的功能和业务逻辑进行具体描述，绘制出2D场景平面图，图中应包含当前场景中的所有对象[4]。

5.5 三维建模

虚拟场景中的模型和纹理都应来源于并忠实于真实的场景，可先通过摄像头采集真实场景中材料的纹理贴图和真实场景中的平面模型，然后使用PS图像处理软件和玛雅、3dmax处理纹理进行真实场景的三维模型建立。

5.6 构建虚拟平台