虚拟现实（VR）技术在现代科技馆中的应用现状及前景展望

白彩琴 胡玲娜

摘 要：目前传统的科技馆展览形式已经趋于稳定，模式基本固定，科技馆观众也在不断流失，基于此科技馆急需通过引进先进技术拓展展教形式，丰富展教内容，为其持续发展注入新的活力。VR虚拟现实技术的出现，使得科技馆展教形式得到有力补充，科技馆功能得以进一步发挥，也为展教形式的创新提供了新的思路，因此越来越受到科技馆业界的重视。

关键词：虚拟现实技术；现代科技馆；应用现状；前景展望

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0250-02

2007年8月1日，中国科学技术协会编辑的“科技馆建设标准”（建标101-2007）正式试点。此标准中明确科技馆的核心功能是“让观众参与的互动科学展览和教育活动。”其中强调，科技馆的核心功能之一是“观众可以参与的互动科学展览”。要想达成这一目的，就要求科技馆在展品设计及展教形式上必须有所创新。虚拟现实技术得到了很好的推广和应用，因为它可以与科学技术博物馆的功能完美结合。也使创新的展教思路得到了更切实际的落实，因此越来越受到科技馆业界的重视。本文首先介绍虚拟现实技术的基本概念、特点及发展历程，并以科技馆的虚拟现实技术展品为例阐述此技术在科技馆中的应用现状，并展望其发展前景，以期为新建科技馆展品设计及展品改造提供理论及实践指导。

1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术，也称为“沉浸技术”，是一种新的计算机领域技术，是立体显示技术和计算机图像技术等各种技术的结合。该技术使用计算机通过各种传感设备生成近乎真实的模拟环境，使参与者能够直观地进行实时感知，沉浸在一种非常接近现实的场景中，在与模拟世界物体的交互中产生非常逼真的感受[1]。

1.1 虚拟现实技术的发展历程

根据演变过程，通常认为虚拟现实技术经历了四个阶段：蕴藏虚拟现实技术思想的阶段；萌芽阶段；概念和理论产生的初步阶段；理论完善和应用阶段[2]。

第一阶段被称为蕴藏虚拟现实技术思想的阶段。1935年，美国的Stanley G.Wenbaum发表的短片科幻小说“皮格马利翁的眼镜”中描述了一副眼镜。参与者戴上这种眼镜后可以进入一种虚构世界，因此这款“皮格马利翁的眼镜”被认为是世界上最早的虚拟现实眼镜维形。1838年，英国的查尔斯惠斯通爵士发现并确定了立体图原理，首次证明人所看到的图像实际是在双眼视野范围互相重叠下而形成的。该原理是虚拟现实技术中视觉三维效果的重要基础。1957年，摩登海里戈发明了沉浸式体验机器Sensorama，可提供具有全部感官的观影体验。1961年，美国飞歌公司发明了世界上第一个有运动动追踪技术的头显设备“Headsight”。体现虚拟现实技术思想的上述典型发明被称为虚拟现实技术的前身。

第二阶段称为虚拟现实技术的新生阶段。1965年，伊凡苏泽兰定义了一种“终极显示器“概念，即此“终极显示器”可以提供让使用者无法区分与现实世界的差异的内容。而且此概念一直沿用至今。在此基础上，Ivan Suzelan于1968年制作了悬挂式虚拟现实设备“达摩克利斯之剑”。

第三阶段：1973年至1989年间，被称为虚拟现实技术概念和理论的初始階段。在此期间，VIDEOPLACE和VIEW是两种典型的虚拟现实系统。VIDEOPLACE系统由M.W.Krueger设计运营。1985年，为了增强宇航员的临场感，使其能更好的在太空开展工作，美国航空航天局（NASA）启用虚拟现实设备“VIVEDVR”计划，以此打造沉浸式宇宙飞船驾驶模拟训练中心。1987年，美国VPL公司的创始人杰伦·拉尼尔正式创造了虚拟现实这个词，发明了系列的运动追踪外设，其中包括用于全身追踪的紧身衣和仅追踪手部动作的手套。

第四阶段被称为理论完善和应用阶段。这个阶段是虚拟现实技术从研究到应用的过渡。随着虚拟现实技术的不断发展，它已广泛应用于人类生活的各个领域，如科研，航空航天，体育娱乐，医疗检查，军事活动等。如北京航空航天大学在分布式飞行仿真中的应用；浙江大学在建筑领域应用虚拟规划和虚拟设计；娱乐方面，卡普空、贝塞斯达和 Rockstar games等老牌游戏发行商也开始尝试将经典的游戏IP被制作成VR内容，如“生化危机”，“毁灭者”和“黑洛杉矶”等。大大增强虚拟现实的娱乐性；在医学中，可以建立虚拟人体模型，以帮助学生通过一系列设备去了解感受人体内各种器官的结构。

1.2 虚拟现实技术的特点

（1）沉浸性。也被称为沉浸式，参与者感觉他们完全处于虚拟世界中，被虚拟现象所包围，感觉像是真实的。最理想的虚拟世界能够让参与人员对虚拟于现实难以区分。（2）交互性。指参与者可以在多大程度上指导虚拟环境和自然反馈水平。比如参与者通过虚拟现实技术去体验过山车的感觉，他会有上下颠簸和失重的感觉。参与者也可以伸手去抓取虚拟环境中的物体，他们会有真实的抓握感觉，同时抓住的东西会随着参与者的动作而移动。（3）想象性。虚拟现实技术提供了大量的想象空间。虚拟环境可以是真实存在的，也可以是想象出来的。

2 虚拟现实技术在现代科技馆的应用现状

2.1 在展览教育上的应用

展览教育是科技馆的基本功能之一，传统展板形式展览甚至目前比较普遍的简单互动展览已经很难引起观众的兴趣，虚拟现实技术的应用使科技馆进入了展览教育互动参与的新模式。虚拟现实技术打破了空间和时间的限制，把枯燥乏味的科学知识转变为逼真的虚拟现实图形，使科学和趣味得到完美结合，激发了观众极大地参与热情，展教功能得到充分发挥。

虚拟现实技术可以帮助观众体验在现实生活中不易实现的体验。例如，在山西省科技馆的新虚拟现实体验馆。“虚拟现实模拟驾驶平台”中，参与者可以利用虚拟现实技术真实体验到路面颠簸、车体倾斜、运动加速、碰撞、飞跃、换挡冲击等感受。接近真实汽车的坐姿和操作，通过方向盘、踏板等设置又为体验者营造出一种真实的驾驶模拟体验。同样在一款多自由仿真模拟器与虚拟现实头显相结合的“虚拟现实模拟飞行平台”中，为体验者呈现出真是的模拟飞行环境，体验者可以通过平台体验到海面场景、高山场景、城市场景三个不同飞行场景界面下飞机起降、翻滚、旋转等动作。满足观众探索心理。再比如山西省科技馆专门结合本地特色设置的“黄土剧场”，以“黄土的成因”为主题，应用虚拟现实技术，利用灯光效果和幻像成像技术，利用表演场景中表演者的外观和消失，表演者真人和其影像在舞台上交替出现，激发观众探寻兴趣，帮助观众了解比较枯燥的内容[3]。

2.2 在科技培训教育上的应用

科技培训是科技馆的重要社会功能之一，虚拟现实技术使得科技馆展教形式实现了重大突破，利用虚拟现实技术为参与者创造“自学”环境，使得参与者通过自身和环境的互动而获得更为直观和深刻的感受而非“以教促学”的传统说教式教育，同时可以不受到标本和场地等的限制，大大降低了培训费用的使用。虚拟现实技术在航空领域的应用在科技馆开展青少年航空模拟培训成为可能，另外，科技馆引入的利用了虚拟现实技术的生存技能展项如火灾逃生训练展项，极大地改善了观众的真实体验。

2.3 在科学实验教育上的应用

科学实验教育的主要功能是积极鼓励学生探索和培养他们发现，分析和解决问题的能力。通过一系列巧妙的课程设置激发其实践探索的潜力，培养创造性思维，传播科学精神，提高科学素养。但是，由于各种条件，科学实验教育的功能很难实现。虚拟现实技术在该领域的应用恰恰弥补了这一不足。利用虚拟现实技术，可以建立包括物理、化学、生物等各种不同学科的实验室，传统实验室很难跟它相比。比如，传统实验室可能一次只能围绕一个主题进行一项实验，而且只能进行一些现象的观察，但利用虚拟现实技术不但能产生传统实验无法比拟的视觉效果，还能够实现交互图形的处理，让参与者感受到图形以外的声间和触感。参与者通过一系列传感装置，不仅能在充分感知虚拟世界的信息，而且还可以做出相应的选择或动作。更重要的是，虚拟现实技术可以实现在不同的实验场景中的自由切换，而这只需通过输入不同的处置方案即可实现，大大简化了实验流程，提高了效率。因此，越来越多的科技馆开始建造虚拟实验室。

3 虚拟现实技术在现代科技馆的应用前景

虚拟现实技术在科技馆中的具体应用，使得创新的展教思路得到了更切实际的落实，因此越来越受到科技馆业界的重视[4]。

3.1 帮助实现新领域的展示

某些学科由于其内容丰富多彩，但难以用科技馆的方式进行展示，或者说难以设计出适合科技馆展出的展品，导致不能在科技馆大规模展出或者展陈手段陈旧难以激发公众兴趣，比如说生物学的内容，那如何才能更好的表现这部分内容呢？我们可以通过目前最为简洁的虚拟方式来实现，比如说我们可以利用虚拟显示技术设计一个在细胞中遨游的场景，让人们通过此项技术真实感受细胞中的神奇奥秘。如此一来，枯燥乏味的知识变成了“沉浸式”体验活动，想必会激发公众更大的参与热情。

3.2 作为实体载体的有效补充

目前虚拟现实技术虽然发展迅速，但仍存在许多问题，比如说单纯利用此项技术效果不够逼真，因此，将虚拟现实技术与传统物理显示技术相结合，进行科学展示将是一個不错的选择。例如，江苏科技馆的“月球火箭”展览允许参加者进入模拟登月舱，离开空间站观看月球。使用障碍物检测，回避技术和虚拟现实环境中的软着陆等技术，体验登陆月球表面的过程。观众依靠仪表显示器在月球模块中行驶，选择月球表面的着陆面，采取一系列措施，采用虚拟现实显示技术实现。在月球模块中起飞和降落过程中经验者的颠簸和振动由液压系统完成。虚拟和真实显示的这种组合将使观众感觉更真实。所以这个展项很受欢迎。

4 结语

虚拟现实技术的发展不断推动了科技馆设计的进一步创新，另一方面极大拓宽了新建科技馆展品设计及展品改造展示手段的设计思路，它的普及将为科技馆提高科普展项展陈手段奠定坚固的基础，为了使科技馆以更加新颖的方式展现出面对公众的强大技术保障。

参考文献

[1]王东旭.虚拟现实技术[J].图书与石油科技信息，1997，（2）：7-8.

[2]汪威.虚拟现实技术的发展历程及其应用[J].赤子，2017，（14）：50.

[3]主福洋.虚拟现实技术的现状与发展趋势[J].中国新通信2012，（20）：37.

[4]李瑞宏，方家增.虚拟现实技术在科技馆的应用前景[C].2010年（浙江绍兴）国际科技馆专业委员会和国家科技馆学术年会论文集，2010.