基于虛擬現實技術的地球科普展示設計研究

方浩，袁醫靈，王中，周婷婷

(1.中國地質大學 藝術與傳媒學院，武漢 430074；2.文華學院，武漢 430074)

基于虛擬現實技術的地球科普展示設計研究

方浩1,2，袁醫靈1，王中1，周婷婷1

(1.中國地質大學 藝術與傳媒學院，武漢 430074；2.文華學院，武漢 430074)

隨著信息技術的發展，虛擬現實技術逐漸應用于展示媒體，傳統地球科普展示設計的發展也迎來了新的轉折點。文章描述了地球科普展示設計的現狀及所面臨的問題，對應用虛擬現實解決該問題的優勢進行重點論述，探討其所遵循的設計理念，為地球科普展示設計提供方向。

虛擬現實技術；地球科普；展示設計

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地球科普展示設計實質是一個傳播地球科學知識的過程，即向廣大群眾科學普及地球科學、空間物理等領域的科學知識。但是地球科普不是簡單的知識傳播過程，它包括地球科學知識、科學方法、科學思想、科學精神的生產、熟化、傳播、接受、消化、吸收等諸多環節和過程。

傳統科技館、博物館的地球科普展示設計由于其空間有限性、形式單調性和傳播方式的灌輸性已遠遠不能滿足當今社會的多樣化需求。當前，虛擬現實在地球科普中得到了越來越廣泛的使用，為展示設計提供了新的方向，將虛擬現實技術應用到地球科普展示設計當中可以增加其多樣性、互動性、趣味性以及傳播的廣泛性，實現科普的最佳效果。

一、地球科普展示設計現狀與問題

在信息技術突飛猛進的時代，實體地質博物館、科技館的展示設計在各個方面的發展都遇到了瓶頸，難以適應當今社會的需求，主要表現為以下三點：

（一）實體空間有限性

中國是一個歷史悠久、疆域遼闊的國家，幾千年的歷史沉淀讓我們擁有豐富的展品資源，自然地理環境亦是極其復雜而又豐富多彩，但實體展示空間相對于其來說卻是量小力微，不能滿足資源對空間的需求。因此，從虛擬現實的角度出發為展示設計提供新的方向成為必然。

交互式虛擬展示以VR技術為基礎，通過創建一個虛擬空間使得觀眾可以在其中與展品發生交互，將展示空間拓展至網絡空間中，緩解了科普展示對于實體空間的要求。

（二）展示模式單調性

中國是世界上最大的發展中國家，各個地區在發展上存在著較大的差異與不平衡，這便導致了不同地區、不同人群對于科普工作所要滿足的需求上的明顯差異。基于此，科普工作在滿足社會成員總體需求的同時，要有更多針對性的工作，在對不同地區，不同環境下的社會成員充分了解的基礎之上，提供合適的科普展覽，滿足他們的多樣化需求。

現在，我國大多數科技館、展覽館、博物館仍是以傳統的方式進行展覽，往往都是平鋪直敘，以靜態的形式對展品進行空間上的布置，引導觀眾的觀看順序，在形式上大多以展板、模型、展墻、等方式居多，難以滿足觀眾多樣化的需求，使其融入其中。（圖1）

當然，隨著多媒體技術的發展，電影、電視、網絡等媒介在地球科普展示中也發揮著越來越重要的作用，但這些媒體質量又參差不齊，整體質量不高，展示效果也差強人意（圖2）。科普知識具有較強的專業性，往往是枯燥難懂的，如果沒有較好的進行展示設計往往很難達到理想的傳播效果，只有將媒體的娛樂性與其相結合，以有趣的形式表達科學知識，寓教于樂，才能讓其更好地進入人們的生活。

（三）傳播方式灌輸性

當前的科普展示中，其傳播方式往往是單方面的，觀眾只是被動的接受信息，使得信息往往難以有效被觀眾吸收，這就要求我們的科普工作必須告別傳統方式，要以更多有趣的形式讓觀眾與展示發生互動，切身感受科學的魅力。基于虛擬現實技術的地球科普展示設計可以讓觀眾從視覺、聽覺、觸覺等多方面真實感受自己所處的環境，根據興趣點有選擇地與展品交流溝通，達到科普的高效目的。

> 圖1 地球展廳展墻展示

> 圖2 多媒體展示

> 圖3 虛擬現實巖石圈

> 圖4 數字城市

> 圖5 Amphibian的潛水模擬器

> 圖6 虛擬太陽系模型

二、基于虛擬現實技術的地球科普展示設計特點

虛擬現實具有豐富的交互性、想象性和沉浸性特征，讓觀眾在參觀的過程中，能以最自然的方式融入其所處的環境，獲得豐富的交互體驗。因此，和傳統的博物館、科技館展示相比，基于虛擬現實的展示設計更能實現地球科普的高效傳播。以下對于其優點進行展開論述：

（一）虛擬空間無限性

以虛擬現實技術為基礎的展示設計通過模擬真實場景，將所要展示的信息置入其中，使得觀眾切身體驗其所包含的豐富信息，對其科學知識有更深的了解，而又由于網絡空間的無限性使得實體空間不足夠展示豐富資源的問題迎刃而解。如圖3所示為青藏高原巖石圈虛擬現實可視化表達，通過虛擬演化能夠探知青藏高原亞東―格爾木地學斷面構造演化的歷史過程，而這一切都存在于無限的網絡空間當中，不必再耗費過多的資源建設展品模型。

（二）滿足多樣化需求

基于虛擬現實技術的地球科普展示設計在展覽過程中，十分注重觀者的個人需求，注重觀者的主體選擇性，使其按照自己的喜歡的方式解讀所展示的信息。圖4所示的奧地利林茨數字城市，是將虛擬現實應用到地理學當中，根據地形、地貌以及特征紋理等所創造的虛擬地理環境。體驗者在體驗時被模擬飛行器吊在空中，戴著立體眼鏡感受自己穿梭在整個城市當中，根據自己的需要選擇解讀該城市的方式，時而漫步街中，時而在河面上掠過，時而又去空中鳥瞰整個城市。考慮到了觀者的不同需求，使其深刻感受該城市所包含自然地理文化。

（三）趣味性豐富

地球科普中所包含的科學知識、地理現象等大都具有較強的專業性，晦澀難懂，單調的傳統展示設計顯然不能滿足科普的目的，但在虛擬現實當中，觀者通過與展品發生互動，產生交流，往往能發現科學當中的趣味性，深化其對知識的理解。如圖5所示為MIT推出的模擬潛水器，利用該潛水器，使用者可以與海洋來一次親密的接觸，它將虛擬現實與懸浮挽具結合在一起，用戶在使用時，將頭顯、耳機以及挽具佩戴上便可體驗水的浮力、阻力以及水溫等多種水下感受，甚至還有帶傳感器的手套，可以模仿水下撿拾物品，如貝殼、螃蟹，增加了使用者體驗時的娛樂，切身感受地球海洋文化的魅力。

（四）互動性良好

傳統的展示設計缺乏互動性，但在交互式虛擬展示設計當中，它更加注重觀眾的主體參與性，讓觀者在“身臨其境”的環境下，帶著一顆好奇的心主動地與展品發生互動，體會其中的科普知識，使得觀者與展品的交流從被動變為主動，從單向傳播變為互動體驗。如圖6所示虛擬太陽系模型，觀者在體驗時，可以利用鼠標、鍵盤等與模型發生交互，如用鼠標點擊地球，就可以觀看地月系統之間的運動規律，按下空格會感受到哈雷彗星向太陽運動，就好像身處太空當中在感受身邊的一切，體會交互所帶來的沉浸感。

三、基于虛擬現實技術的地球科普展示設計原則

從理論上看，以VR技術為基礎的地球科普展示設計可以從很大程度上解決目前科技館、博物館等發展所面臨的一系列問題，將實體空間拓展到網絡空間當中，豐富展示方式，實現展示效果的最佳化。但是，如何從實際層面具體進行展示設計系統的構建，如何以最佳的方式展示展品所要表達的信息，如何以最自然的交互方式和觀者進行互動，建立一個高效的人機系統，仍然是困擾設計師的一大難題。通過上文分析我們試圖為基于虛擬現實的地球科普展示設計提供以下思路：

（一）系統化設計

基于虛擬現實的地球科普展示設計是一個完整人機系統的建立過程。在展示設計當中，要綜合把握各方面的因素，研究其之間的關聯性，協調好各方面的關系，以免任何因素處于一個“真空”當中，降低展品信息流動的效率。這些因素包括觀者、展示媒介、展示環境、綜合因素四方面，而它們又可以當做是完整系統中的四個子系統，擁有其各自的結構與層次，展品信息能否高效傳達取決于各個因素的協同作用程度。選擇合適的照明、溫度、濕度、色彩、形態等物理化學環境和心理環境，進行信息顯示系統和操縱控制系統設計，調動觀者的主動適應能力、主動學習能力，使得觀者與展示媒介合理配合，信息傳達效果最佳，展示系統綜合效能達到最高，實現高效、便捷、環保以及可持續發展的設計理念，是科普展示的重要目的。

（二）智能化設計

展示空間作為人機交互的場所，任何與人互動的方式當中，都有人機交互界面的存在，如何使觀者以最自然的交互方式與展品互動，如何考慮不同觀者的需求，是人機界面當中不可避免的問題。智能交互空間的引入使得該問題的解決有了新的方向，它嵌入了計算、信息設備以及多模態的傳感裝置，使得機器不再是被動的指令接受者，而是通過傳感裝置主動檢驗環境因素的變化，調節系統運作方式，使展示空間更符合展品的信息傳達，與觀者自然交互，協作觀者完成體驗，從而大大降低觀者的學習與操作負擔，使其有更加深入的沉浸感，不被打斷。這是科學發展所帶來的突破，也將是基于虛擬現實技術的地球科普展示設計的重要方向。

（三）人性化設計

隨著物質生活與文化水平的發展，人們的精神需求不斷提升，這也是推動地球科普展示設計發展的根本動力，因此，滿足觀者的需求，對科普展示進行人性化設計，是當前也必將是未來的主流方向。作為科普展示信息的接受者，人的因素復雜多樣，包括人體尺寸參數、機械力學參數、信息傳遞能力、心理調節能力、心理反射機制等多方面信息，根據具體科普展示內容，選擇合適的參數進行設計，是地球科普展示設計的應有內容，這本身就是人性化設計的一部分。

通過人性化設計，對現有展示方式進行改善，使其更加符合人的行為習慣、思維方式、心理情況、生理參數，能夠提高觀眾的參觀體驗，得到精神上的尊重與滿足，這是人性化設計人文關懷的最高體現，也是地球科普展示設計的最終追求。

> 圖7 “龍宮探寶”海洋科普館

> 圖8 谷歌眼鏡

四、基于虛擬現實技術的地球科普展示設計案例

在我國，將VR技術應用于地球海洋科普的當屬近來中科院海洋所制成的海底VR展示研究系統。它是由57萬余張海底地形、地貌的實測照片經過數據處理和拼接制作而完成，拍攝該照片的無人潛水器綜合利用了國內長基線定位系統、近海底地球物理探測系統和三維激光影像系統，拍出來的照片每張都包含精確的海底信息，因此在虛擬現實海底系統中，每一個點都能得到精確識別，包括水深、位置、生物種類、地質類型等信息，這對于海底實際科學考察具有重要現實意義，通過不斷的將采集到的信息以虛擬現實技術融入其中，能夠對比得出該地區生物、地貌、巖石的演化過程。體驗者戴著VR頭盔,可以清晰地看到海底巖石及生物的分布情況，并且可以隨意走動尋找目標物，根據不同場景調整燈光，身臨其境地開展海底活動，感受一個真實的海底世界。（圖7）

另一個將虛擬現實應用于地球科學的代表就是谷歌地球，它是第一個真正意義擁有全球視野的VR應用，谷歌的衛星地圖可以放大到街道從而打造3D全現實還原地圖，同時它還擁有全世界最先進的神經式網絡，使得它包含了5億平方公里的真實地貌，全球大約175個城市的完整3D數據信息和600個以上城市的核心地區。體驗者在使用它時，帶上HTC Vive頭顯，呆在家里就可以暢游羅馬古跡、亞馬遜河等名勝古跡。此外，用戶還可以從太空的角度去觀看地球，更深刻的感受自己的家園面貌，了解到更多的地球科學知識。（圖8）

總結

虛擬現實技術應用于地球科普展示設計可以解決當前限制其發展的諸多問題，拓展實體空間，豐富展示方式，增強信息互動，實現科普展示效果的最佳化。運用虛擬現實技術進行地球科普展示設計時，要注意所要科普的具體信息，根據其內容選擇最佳的展現方式，更要關注科普的受眾群體，了解他們的需求進行針對化的設計，滿足觀者的不同需求。遵循系統化、智能化、人性化的設計原則，將虛擬現實與地球科普展示設計完美結合，對地球科普展示設計的發展具有重要現實意義和引導作用。■

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Research on the Exhibition Design of Earth Science, Based on Virtual Reality Technology

FANG Hao1,2, YUAN Yi-ling1, WANG Zhong1, ZHOU Ting-ting1
(1. School of Arts and Communication , China University of Geosciences , Wuhan 430074 , China; 2. Wenhua College , Wuhan 430074 , China)

This paper describes the problems of contemporary geography exhibition design, focuses on the advantages of virtual reality technology as the starting point to solve the problem, and explores the role that virtual reality technology can play in the exhibition design of earth science through case analysis.Finally, it provides a new directions for earth science exhibition design and draws some summary suggests.

virtual reality technology; earth science; exhibition design

TP391.9

A

1008-2832(2017)07-0062-03

中國科協移動端科普融合創作項目（項目編號：2015184010），湖北省教育廳人文社科研究一般項目（項目編號：16G187）

檢 索:www.artdesign.org.cn