矿物晶体标本的三维可视化展示设计与实现

赵思艺，何明跃

中国地质大学 (北京)，北京 100083

引言

矿物是地质作用中形成的单质和化合物，具有相对稳定的化学成分和内部结构，在一定的物理化学条件下稳定，是固体地球和地外天体中岩石和矿石的基本组成单位[1]。矿物晶体标本是指天然产出的具有几何多面体形状、相对稳定的化学成分和物质结构，保持了原样或原生状态，可供人们学习、研究、观赏的矿物晶体样本。矿物晶体通常以晶簇的形式存在，由生长在岩石的裂隙或空洞中的许多矿物单晶体组成簇状集合体，通常一端固定于共同的基底岩石上，另一端则自由发育而形成良好的晶形。晶簇可由单一的同种矿物晶体组成或由几种不同的矿物晶体共同组成[2]。

矿物晶体的结晶习性、晶体形貌、化学成分等性质记录了其产出地区地质环境及物理化学变化的情况，通过对矿物晶体标本的研究，可得到所产出地质体的地质构造、地质年代、矿床成因等方面的信息。矿物晶体标本内部的包裹体也为探索不同年代的环境信息提供了重要和准确的科学数据。除此之外，矿物晶体还具有观赏价值，以其自发生长的几何多面体外形、丰富的色彩、各异的光泽、富有意像的造型为特征，集中体现了自然之美、科学之美和人文价值。

然而，矿物晶体的高价值现已成为对其进行展示和研究的难点。博物馆收藏的某些矿物晶体珍贵标本价值十分高昂，有些极品矿晶标本甚至高达上千万元，如此珍贵的标本在实际研究和展览过程中，不能频繁进行近距离接触测试，也不便于异地运输和移动展出，以免发生意外，因此，三维可视化展示技术在矿物晶体领域方面的应用显得尤为重要。该种技术不仅可以将各种珍贵矿物晶体随时随地清晰地展现在研究人员和观赏者眼前，还可以避免长时间展出对珍贵矿标可能造成的损害。

1 三维展示的技术方法

1.1 WebGL 技术

CAD (计算机辅助设计) 是最早提出在网络上应用 3D 图形技术的软件，其主要用于生产工业产品。在 CAD 技术日益普及之后，借助网络实现三维数字模型产品展示成为一种迫切的需求。基于这种需求，市场上陆续出现了多种为互联网 3D 应用服务的软件技术、浏览器插件、专用数据格式等。2000 年，web3D 组织提出并使用 web3D 来表示各种互联网上的 3D 图形技术，包括 GL4Java，Flatland，Fluid3D，Janet3D，Java3D 等。限于当时的技术发展，这些技术有些依赖于浏览器插件，有些速度达不到要求，有些渲染质量不尽人意，因此并未成为主流。随着WebGL 技术逐步成熟，为互联网三维展示注入了新的活力。WebGL 是一种 3D 绘图标准，Web 开发人员可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示 3D场景和模型，实现丰富的三维体验。但是，浏览器兼容性，以及性能问题始终是 WebGL 必须面对的两大难题。

1.2 全景技术

全景技术是一种对全景图像进行处理从而生成真实场景的实景虚拟技术，由两大部分组成：全景摄影与虚拟全景。全景摄影是指把相机环 360 度对现实场景进行拍摄。虚拟全景是利用计算机软件对采集的图像进行缝合处理，将真实的场景还原在电视、电脑和手机等交互媒介上[3]。全景技术虽然并不是真正意义上的“三维”，但其画质高、场景逼真、便于制作，能够应用于很多领域。用户可以通过鼠标或键盘进行上下、左右多个维度的移动、放缩，实现从环视、俯视、仰视等任意视角观察场景，使用户产生身临其境的感觉，甚至能感受到比观察实物矿物晶体还要清晰和明显的效果。相对而言，其设计实现比较简单，且对硬件要求较低，省去了大量的建模渲染方面的工作，便于实际操作和应用。

1.3 3D 打印技术

3D 打印技术能够在不直接接触矿物晶体实物的条件下，配合三维扫描技术，通过使用数字软件和特定的材料，将物体复杂的形状直接打印出来。3D 打印技术主要与三维扫描和三维建模技术联用。配合 3D 打印技术的建模方法包括：(1) 正向建模，即通过相关的软件进行正向的数字化设计来进行建模；(2) 反向建模，即通过扫描设备扫描物体三维点云数据，通过三维重建技术进行反向的数字化建模。要实现矿物晶体的三维建模和 3D 打印，主要采用第二类方法。对于矿物晶体复制，首先采用 3D 激光扫描仪扫描矿物晶体，将矿物晶体的各个形态、表面纹理、色彩等都转化成数字信息，在计算机中形成三维立体的模型。而后，工作人员将采集完成的三维模型利用高精度的 3D 打印机将矿物晶体打印出来，并采用一些后续处理措施，如静置、强制固化、去粉、包覆等，来加强模具成型强度及延长保存时间。或者可以根据实际需要，选择低精度打印，然后对打印成品进行打磨、抛光等后期的机械加工处理，这种方法既节约生产时间，又能满足产品基本的精度要求。

1.4 三维云展示技术

近年来，随着云计算技术的飞速发展，基于云渲染技术的互联网三维云展示技术应运而生，其基本思路是利用云计算强大的计算能力，在云端管理三维模型及处理渲染，再将渲染结果推送到客户设备。利用几乎无限的云计算能力，结合强大的前端 JS 技术和 AJAX 技术，用户可以交互高质量的工作站渲染级别的三维结果。三维云展示尤其适用于对三维展示质量，保真度有较高要求的场景。基于云计算的互联网三维云展示技术达到了对客户端零要求的目标，很好地解决了浏览器兼容性和性能问题。

2 矿物晶体标本三维展示技术的运用

2.1 素材选取

在国家岩矿化石标本资源共享平台建设过程中，研究人员选取具有典型晶形的国内外珍稀矿物晶体标本进行三维展示 (图 1)，如白铅矿、菱锰矿等，一方面可以突破时间和地域限制，缩近标本与研究者、参观者的距离，在不与矿物晶体直接接触的情况下全方位了解矿物晶体的细节，极大地满足各领域人员的需求；另一方面三维展示避免了频繁接触和移动，加强了对标本的保护。

2.2 硬件设备

图1 矿物晶体的三维展示Fig. 1 3D visualization of mineral crystals

国家岩矿化石标本资源共享平台的矿晶标本三维展示采用三维环物摄影系统装置 (图 2)，该装置的硬件设备主要由旋转载物台、拍摄摇臂、单反相机、摄影灯四部分组成。拍摄摇臂为 L 形支架，在摇臂顶端具有可架设各种型号相机摄的云台。相机架设完成后，需要连接数据线和电源线，数据线用于文件的实时传输，同时可以通过电脑来操控相机。L形摇臂由电脑控制俯仰范围，主要负责 Y 轴向的角度调整，X 轴向的角度控制由位于中央的旋转载物台完成，它既是物体的承载平台，也是完成圆周转动的控制中台，可以做 360 度旋转，转动角度由电脑进行设定 (图 3)。环物拍摄通常选取适当的间隔角度由垂直方向的 0 度到 90 度进行摄像，角度间隔的大小决定了最终文件的精细程度，角度间隔越小物影越流畅。矿物晶体拍摄通常使用专业的摄影灯持续照明，由于矿物晶体的表面具有纹理，因此，拍摄时需要根据实物的具体属性，选择不同的光源种类和布光形式。过强的灯光照射会产生局部高光，使矿物晶体产生较大的色差，而灯光过弱，将使后期处理时色彩无法准确还原。

图2 拍摄使用的硬件设备示意图图Fig. 2 The diagram of Hardware devices used for shooting

图3 三维环物拍摄角度示意图Fig. 3 The diagram ofthree-dimensional ring photography angle

2.3 图像信息的获取与制作

矿物晶体标本摆放完成后，就进入拍摄步骤。首先是水平 0 度，45 度，垂直 90 度三个方向试拍，确定轴心是否有偏离。而后，正式拍摄开始时需先设定 X 轴和 Y 轴的拍摄间隔，平台均使用是10 度作为两个方向的间隔精度，以保证在文件量和流畅度方面达到较好的平衡。按下拍摄键后，拍摄摇臂和旋转载物台的角度自动归零，恢复到起始状态，拍摄开始，旋转载物台每转 10 度拍摄一次，每当旋转载物台转过 360 度后，摇臂就上升 10 度，以此类推，直到摇臂上升到垂直方向为止完成拍摄。拍摄摇臂、旋转载物台、相机的协同工作由电脑统一控制，同时电脑对拍摄获得的图片进行分类，以便于后期的图像处理工作。

由前面分析可知，全方位拍摄矿物晶体标本的照片是建立三维展示系统的前提，由于后期三维合成的要求，对拍摄的清晰度、角度及光线都有严格的要求。为了使获取的图片能真实、准确的反映矿物晶体的造型、纹理和光泽透明度等信息，在拍摄过程中，应注意以下几个方面：

(1) 拍摄的过程中需考虑拍摄主体在画面中的位置以及四边留白的空间比例，尽量保持面面整体位置居中、简洁明晰；

(2) 为方便后期处理，在拍摄中应选择中性色无缝背景纸；

(3) 不同的矿物晶体，反射光度略有差别，所以需要按照实体的反射光指数进行合理的拍摄参数选择，做到准确曝光。利用拍摄装置得到的图像只是原始素材，通过 Photoshop 等图像编辑软件可以对图像所存在的问题进行一定的调整和修正，尤其是背景的处理，使图片达到最佳的展示效果。

2.4 合成三维数字模型

全方位照片获取后，利用 QTVR 软件进行矿物晶体的三维数字模型合成。QTVR 是新一代的基于静态图象处理的初级虚拟现实技术。它不需要进行任何几何造型，只需通过图像采集系统采集真实的图像、QTVR 系统软件处理离散的图像，即可完成三维空间、三维物体的造型，操纵普通鼠标、键盘即可实现对三维造型的全方位观察。

QTVR 有三个核心概念：全景图像，对象，场景。全景图像是空间中的一个视点对周围环境的 360度视图，用户可在全景图像的 360 度范围内任意切换视线，也可在一个视线上改变视角，来获得距离远近的视觉效果。对象是从分布在以一件物体为中心的立体 360 度的球面上的众多视点来看一件物体，从而生成的对一件物体全方位的图像信息。经 QTVR 系统软件的处理，形成用户可观察的各个视点。场景是利用热点手段将一个或多个全景图像或对象电影进行连接，从而生成的有序集合体。在场景中，用户可在很多全景图像和对象电影中漫游。

2.5 网络展示

图4 菱锰矿矿物晶体三维展示图Fig. 4 Three dimensional display of Mineral crystal of Siderite

由于三维矿物晶体标本展示的的网络属性，要求其图片像素不宜过大，否则大量的数据将降低网站使用性能。利用 QTVR 软件合成的矿物晶体的三维数字模型原始文件可达 1G 以上，为了在网络上展示，需要进行适当压缩，可压缩成不同大小的文件供不同网速的用户选择。目前平台使用三种可选网速：512KB/s(文件大小 6-10M)，1M/s (文件大小 20-30M)，4M/s (文件大小 150-200M)。观看时，需安装 QuickTime 浏览器插件，可以随意拖动鼠标，使矿物晶体标本放大、缩小、任意角度旋转，便能从各个角度观赏矿物晶体的每一个部位和结构。图 4 是菱锰矿矿物晶体标本的三位展示效果，菱锰矿矿物晶体呈玖瑰色或紫红色，玻璃光泽，晶体呈菱面体状，晶面弯曲，自然形成的矿物晶体交错堆叠，形似一朵绽放的玫瑰，如图 4-1。放大观察可以从三位展示中看到菱锰矿矿物晶体的晶面花纹，如图 4-2。可以随意拖动鼠标，观察矿物晶体标本的每一个角度，如图 4-3, 4-4。

3 结论

国家岩矿化石标本资源共享平台矿晶标本的展示采用环物摄影装置拍摄，QTVR 软件进行视频合成，并在平台网站上使用 QuickTime 浏览器插件观看，可以360 度近距离研究和欣赏矿物晶体的外部形貌和颜色，内容包裹体还有空间。随着计算机技术的不断发展，计算机视觉以及三维模型处理技术也呈现出日新月异的发展趋势。三维展示技术可以应用于大规模、大范围的地质遗迹的保护与展示之中，也将应用于三维数字博物馆的建设和展示。利用三维展示所特有的交互感、沉浸感等特征，为参观者和研究者提供一个独特地展示媒介。

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