基于虚拟现实技术的地质科普实现与应用

商云涛，郭　慧，李晓蕾

(1.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037；2.全国地质资料馆，北京 100037)

1　信息时代地质科普的意义

地质科普已经成为地质调查公共服务的重要阵地，它是一项融探索性、趣味性、实用性和文化性的自然科学，现下互联网、自媒体和可视化等信息技术发展迅猛，要求地质科普工作必须在作品、传播等方面不断创新，适应社会需求变化。

1.1　激发青少年学习自然科学的兴趣

地质科普中所涵盖的地质现象、科学知识等都具有极强的专业性，单调的以传统的文字展板形式进行展示显然已经不能满足地质科普的目的，但通过专业地质人员对相关知识的解释与加工，并根据青少年的特点生成不同类型的科普产品，使得相关知识让青少年可以更加高效的理解。例如，通过对滑坡、泥石流、崩塌等自然灾害资料的整理，由专业地质人员以同属易懂的语言对相应自然灾害形成原因、预警措施和逃生手段进行普及，同时借助虚拟现实技术使得观众能够直观感受灾害，向观众直接提供灾害预防的知识储备，以更加科学、高效的手段发挥地质科普价值[6]。青少年通过这种方式与地质知识进行直接交互，深化对知识的理解，增强好奇心，从而激发其对地质科学的兴趣。

1.2　让社会公众了解地质

目前社会普通公众对地质知识的需求和关注日益增加，地质工作成果的服务对象正慢慢由最初的仅为地质专业人员服务转变为向普通大众提供社会化服务。中国消费模式转型推动的地质旅游、地质探秘、宝玉石鉴赏、生命与地球演化等地球科学文化产业已经发展成为新兴产业，需要不断的地质科普知识供给。通过科普创新，使得科普与日常生产、娱乐旅游和文化学习相结合，让社会公众更直观高效的获取和了解基础地质、能源资源、地质环境、地球探测、地球系统认知等方面知识。

1.3　让跨行业专家知道地质

通过地质科普让跨行业专家知道地质工作是经济社会发展重要的先行性、基础性工作，服务于经济社会的各个方面。加强地质工作，是缓解资源约束、保障经济发展的重要举措，是推进城乡建设、开展国土整治的重要基础，是防治地质灾害、改善人居环境的重要手段[1]。例如在城市规划工作中，充分使用地质环境岩土工程理论的指导作用，做好山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂缝等地质先行工作，为规划专家提供城市区域地质、水文地质、工程地质、环境地质等资料数据，科学论证，合理设计，综合分析得出城市区域地基稳定性、地面稳定性和地质灾害区划等报告，为工程规划建设和地质风险防控提供决策依据。

2　信息时代下的科普形式

当今世界，以互联网为代表的信息技术日新月异，已渗透到社会发展的各个领域，深刻影响着人们的生产生活。中国网民规模不断增加，据中国互联网信息中心(CNNIC)《第40次中国互联网发展状况统计报告》显示，截至2017年6月底，中国网民规模达到7.51亿人，占全球网民总数的五分之一，互联网普及率为54.3%，超过全球平均水平4.6个百分点，中国已经成为名副其实的互联网大国，社会全面进入信息时代[2]。伴随着信息化时代的到来，科普已由学校教育、书籍报纸、广播电视节目、展馆等传统形式向网络科普这一依托于互联网的新型科普形式转变，与传统科普方式相比，网络科普具有科普信息量大、查询便捷、传播速度快，具有全球性、实时性、交互性等优势，极大的促进了科学思想、科学方法、科学知识的传播与普及[3]。但是，网络科普发展并不成熟，仍然存在目标人群不明确、展现形式单一、交互性差等不足。信息技术的不断进步，使得原有传统多媒体方式无法展示的内容成为可能。例如，利用三维建模技术，可以使得用户通过网络直接登录腾讯的中国航空VR展馆，身临其境的使用长征火箭飞往太空，使用中国空间站-天宫探索太阳系，切实了解我国长征系列火箭、天宫和太阳系的相关科学知识。这种以计算机生成三维立体视觉、听觉、触觉和嗅觉的虚拟现实技术，使得用户可以使用自己的第一感官来感知虚拟现实的实体，通过交互操作直接获取相关知识。借助于现在较成熟的智能穿戴设备—VR眼镜、耳机和数据手柄等，使得用户自由的进入这个由计算机虚拟构建的“现实世界”的特殊场景之中[4-5]。这种方式可以使用户直接与虚拟实体接触，通过最直接的感受来激发人们的创造力，使得用户在虚拟的“现实世界”中漫游，更加高效直接的获取相关知识。同时由于其强大的交互性和趣味性，可以培养用户获取相关科普知识的兴趣。

3　虚拟现实技术及其特点

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是计算机技术为核心，联合其他相关科学技术，生成一个具备三维立体空间的实时动态数字化世界，借助必要的设备，用户直接使用自身的视觉、听觉、触觉和嗅觉等感官与数字化世界中的对象进行交互作用，相互影响，让用户如同身临其境一般，从而产生面对真实环境的感受和体验[7-9]。虚拟现实技术是人类在开展自然探索、自然认识过程中创造产生的一项高度综合集成的技术[10]，它集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，使得人类可以利用其用于认识自然、模拟自然，进而更好的体验、适应、了解和利用自然的科学技术与科学方法。虚拟现实技术具有以下四个重要特点。

1) 多感知性。多感知性就是虚拟现实能够多维感知。即除了计算机所能提供的视觉感知和听觉感知外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实是应该具有人所具有的感知功能，人们在模拟环境中通过视觉观看到色彩斑斓的环境，通过听觉感知丰富多彩的音响世界，通过触觉了解物体的形状和特性，通过嗅觉知道周围的气味。总之，通过各种各样的感觉，使我们能够同客观真实世界交互(交流)，使我们浸沉于和真实世界一样的环境中。

2) 存在感。又称临场感，是虚拟现实最主要的技术特征，它是指由计算机创建的一个模拟环境，让用户通过设备作为主角存在于模拟环境中，通过优化模拟环境的真实度，让用户有身临其境的感觉，使得用户感觉自己是模拟环境中的一份子。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

3) 交互性。交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)，用户不仅可以使用键盘、鼠标和屏幕进行交互，还可以通过VR设备进行交互。例如，用户通过VR眼镜和VR数据手套等复杂传感器设备用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着该物体的触感，感受相应物体的重量，同时可以看到物体也随着手的挪动而相应移动。

4) 自主性。自主性是指在模拟环境中所有事物都符合现实世界的物理定律的符合程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

4　虚拟现实技术在地质科普上的展现应用

地质科普目标人群为具备独立思考能力，且有一定科学素养的人群，同时通过虚拟现实技术突破传统意义上的时间与空间的局限为地质行业与社会各界沟通搭建桥梁，向社会公众开展旅游地质、灾害预报防治和生态环境等方面的科普宣传，展示中国地质的历史、成就和在生活中的作用。现选取了以下两种虚拟现实技术，来构建能使用户充分沉浸的虚拟现实的模拟世界，达到更好的科普效果。

4.1　三维全景技术

三维全景技术(也称实景虚拟)是基于全景图像还原真实场景的虚拟现实技术[11]。通过将拍摄的一组或多组360°照片拼接成一个全景图像，利用计算机技术实现全方位交互式浏览的真实场景还原展示方式。其技术流程照片拍摄→图像拼接→生成场景的模式来完成虚拟现实的创建，具体见图1。

图1　三维全景制作流程

4.1.1照片拍摄

一般有两种方法，用全景拍摄器材进行拍摄或者通过普通相机拍摄再进行图像拼接。前一种方式比较容易采集图像，但是这种方法往往意味着购买昂贵的摄影器材，因此影响了其通用性。而后一种方式，用普通相机在固定点拍摄多张照片拼接生成全景图片，其拍摄照片之间需要有一定的交叉区域(即交叉率)，一般相邻照片需要重叠20%～25%。当拍摄范围和交叉率确定后，根据使用相机的幅面、镜头的焦距和相机的摆放的垂直或水平的方向，计算确定拍摄照片的预估数和图片像素的预计数，并按照计划依次进行拍摄。

4.1.2图像拼接

图像拼接技术指的是将多幅相连且有交叉重复区域的图像进行无缝拼接融合，以此得到360°全视域全景图像的技术。现有的全景图像拼接生成算法主要可以分为三类：基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相关的方法。在得到拼接好的图像后，还需要对图像重叠部分进行处理，以实现图像的无缝拼接。目前经常采用的一种简单的图像缝合技术就是线性插值法(Linear Interpolation)。

4.1.3场景生成与驱动

场景生成与驱动是通过漫游合成软件将多个全景图片进行合理的空间编辑与组织，生成可供用户进行场景跳转、场景漫游，通过在场景内添加热点，点击实现科普信息的展示与交互。

4.2　三维建模技术

三维建模技术(3D Modeling)是运用计算机技术构建出具有三维数据的虚拟三维空间模型[12]，在三维空间中对物体的外形、颜色、光照、材质等属性进行精确模拟，以实现三维实体的真实再现，为用户创建一个身临其境、形象逼真的环境。

4.2.1三维模型与场景制作

1) 建模。建模是三维场景建立的基础，通过3D软件(如3D Max、MultigenCreateor、Maya及Superscape VRT等)进行平移、旋转、拉伸以及布尔运算等一系列几何操作来构建场景。

2) 材质贴图。虚拟现实场景中的模型除了具有良好的几何造型外，还需要通过材质贴图来表现物体的物理属性和外形特征，藉此进一步增强三维模型的真实感。

3) 灯光渲染。灯光渲染是通过设置光源性质(镜射光、 漫射光和环境光)、光源方位(距离和方向)、敏感处理方式(平滑或平面处理)和纹理映射方式等参数，来增强场景真实感，美化整体效果。

4) 成果导出。在场景制作完毕之后，可根据网络虚拟现实插件的要求导出HTML5格式场景文件。同时需要注意材质贴图、内部动画的导出。

4.2.2场景导入与驱动

通过网络虚拟现实插件来驱动场景和模型，根据需求添加相应控件按钮，以此实现多场景间的跳转切换和与用户的交互。

5　实例及成果

利用虚拟现实技术的多元应用性建设在线展览馆——“中国地质调查历史与成就展馆”，通过时空结合、动态交互的展示技术，展现中国地质调查的百项成果、百项理论、百项技术，突出展示地质行业发展过程中的重要人物及其所做贡献，向社会公众开展相关地质方面的科普宣传。

5.1　三维场景建立

5.1.1三维全景技术

图片拍摄采用普通数码相机、鱼眼镜头(180°)、三脚架，每个场景拍摄4张照片，每拍完一张水平旋转90°，相邻两种照片之间重叠交叉率为50%。选用pix maker pro软件进行图像拼接，将4张照片缝合成为一张360°全视角的全景图。使用krpano软件中的MAKE VTOUR(VR-OPT) droplet模块，在将场景生成所需的全景图一次性到任后，进行相应参数设置，根据实际需求调整图像质量和显示大小，添加导航按钮、可滚动缩略图以及重力感应插件等。最后输出一个HTML5文件格式，将全景展示文件直接嵌入网站页面里，发布后，使用者就可以通过互联网进行在线浏览(图2)。

图2　三维全景效果图

5.1.2三维建模技术

三维建模技术主要使用3D MAX建立相应场馆模型，模型为虚构场景。建模过程主要采用多边形建模方法，材质和贴图主要参照现实博物馆布设进行，通过加装射灯和展板背景灯等光源进行灯光渲染，提升整体模型真实度。

5.2　成果展出

虚拟展馆已上线服务运转，目前主要包含5个分馆，分别是：①地质调查历史馆，回顾中国地质调查事业走过的百年风雨历程；②地质调查成就馆，展示中国地质调查事业取得的辉煌成绩；③地质人物馆，展示为中国地质行业发展做出卓越贡献人物风采；④地质成果专题馆，多维度展示地质行业的发展和对社会国家所产生的重要作用；⑤地质实景馆，展现地质一线工作场景，让社会公众更加了解地质，理解地质工作者。其中前四个馆使用的是三维建模技术，而地质实景馆使用三维全景技术构建。通过在线展出后，受到了大量用户的好评，取得了预期效果，达到了普及地质知识，推进信息化发展的目的。

6　结　语

技术的进步是不可逆转的，虚拟现实技术已展现出来强大的生命力，齐应用的领域涵盖了军事、制造、医疗、交通等行业。在当今社会，公众对科普的需求呈现个性、丰富和多元化，将虚拟现实技术与地质科普工作结合，将给科普工作带来革命性的变化，用户在碎片化的时间里使用VR设备和手机浏览的方式，在虚拟的地质科学世界里遨游，获得理性的科学知识和虚拟视觉感官体验，切实增强地质科学的吸引力和普及率，不断推动传统的科普手段升级与更迭。

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