基于虚拟现实技术的地球科普展示设计研究

方浩，袁医灵，王中，周婷婷

(1.中国地质大学 艺术与传媒学院，武汉 430074；2.文华学院，武汉 430074)

基于虚拟现实技术的地球科普展示设计研究

方浩1,2，袁医灵1，王中1，周婷婷1

(1.中国地质大学 艺术与传媒学院，武汉 430074；2.文华学院，武汉 430074)

随着信息技术的发展，虚拟现实技术逐渐应用于展示媒体，传统地球科普展示设计的发展也迎来了新的转折点。文章描述了地球科普展示设计的现状及所面临的问题，对应用虚拟现实解决该问题的优势进行重点论述，探讨其所遵循的设计理念，为地球科普展示设计提供方向。

虚拟现实技术；地球科普；展示设计

Internet :www.artdesign.org.cn

地球科普展示设计实质是一个传播地球科学知识的过程，即向广大群众科学普及地球科学、空间物理等领域的科学知识。但是地球科普不是简单的知识传播过程，它包括地球科学知识、科学方法、科学思想、科学精神的生产、熟化、传播、接受、消化、吸收等诸多环节和过程。

传统科技馆、博物馆的地球科普展示设计由于其空间有限性、形式单调性和传播方式的灌输性已远远不能满足当今社会的多样化需求。当前，虚拟现实在地球科普中得到了越来越广泛的使用，为展示设计提供了新的方向，将虚拟现实技术应用到地球科普展示设计当中可以增加其多样性、互动性、趣味性以及传播的广泛性，实现科普的最佳效果。

一、地球科普展示设计现状与问题

在信息技术突飞猛进的时代，实体地质博物馆、科技馆的展示设计在各个方面的发展都遇到了瓶颈，难以适应当今社会的需求，主要表现为以下三点：

（一）实体空间有限性

中国是一个历史悠久、疆域辽阔的国家，几千年的历史沉淀让我们拥有丰富的展品资源，自然地理环境亦是极其复杂而又丰富多彩，但实体展示空间相对于其来说却是量小力微，不能满足资源对空间的需求。因此，从虚拟现实的角度出发为展示设计提供新的方向成为必然。

交互式虚拟展示以VR技术为基础，通过创建一个虚拟空间使得观众可以在其中与展品发生交互，将展示空间拓展至网络空间中，缓解了科普展示对于实体空间的要求。

（二）展示模式单调性

中国是世界上最大的发展中国家，各个地区在发展上存在着较大的差异与不平衡，这便导致了不同地区、不同人群对于科普工作所要满足的需求上的明显差异。基于此，科普工作在满足社会成员总体需求的同时，要有更多针对性的工作，在对不同地区，不同环境下的社会成员充分了解的基础之上，提供合适的科普展览，满足他们的多样化需求。

现在，我国大多数科技馆、展览馆、博物馆仍是以传统的方式进行展览，往往都是平铺直叙，以静态的形式对展品进行空间上的布置，引导观众的观看顺序，在形式上大多以展板、模型、展墙、等方式居多，难以满足观众多样化的需求，使其融入其中。（图1）

当然，随着多媒体技术的发展，电影、电视、网络等媒介在地球科普展示中也发挥着越来越重要的作用，但这些媒体质量又参差不齐，整体质量不高，展示效果也差强人意（图2）。科普知识具有较强的专业性，往往是枯燥难懂的，如果没有较好的进行展示设计往往很难达到理想的传播效果，只有将媒体的娱乐性与其相结合，以有趣的形式表达科学知识，寓教于乐，才能让其更好地进入人们的生活。

（三）传播方式灌输性

当前的科普展示中，其传播方式往往是单方面的，观众只是被动的接受信息，使得信息往往难以有效被观众吸收，这就要求我们的科普工作必须告别传统方式，要以更多有趣的形式让观众与展示发生互动，切身感受科学的魅力。基于虚拟现实技术的地球科普展示设计可以让观众从视觉、听觉、触觉等多方面真实感受自己所处的环境，根据兴趣点有选择地与展品交流沟通，达到科普的高效目的。

> 图1 地球展厅展墙展示

> 图2 多媒体展示

> 图3 虚拟现实岩石圈

> 图4 数字城市

> 图5 Amphibian的潜水模拟器

> 图6 虚拟太阳系模型

二、基于虚拟现实技术的地球科普展示设计特点

虚拟现实具有丰富的交互性、想象性和沉浸性特征，让观众在参观的过程中，能以最自然的方式融入其所处的环境，获得丰富的交互体验。因此，和传统的博物馆、科技馆展示相比，基于虚拟现实的展示设计更能实现地球科普的高效传播。以下对于其优点进行展开论述：

（一）虚拟空间无限性

以虚拟现实技术为基础的展示设计通过模拟真实场景，将所要展示的信息置入其中，使得观众切身体验其所包含的丰富信息，对其科学知识有更深的了解，而又由于网络空间的无限性使得实体空间不足够展示丰富资源的问题迎刃而解。如图3所示为青藏高原岩石圈虚拟现实可视化表达，通过虚拟演化能够探知青藏高原亚东―格尔木地学断面构造演化的历史过程，而这一切都存在于无限的网络空间当中，不必再耗费过多的资源建设展品模型。

（二）满足多样化需求

基于虚拟现实技术的地球科普展示设计在展览过程中，十分注重观者的个人需求，注重观者的主体选择性，使其按照自己的喜欢的方式解读所展示的信息。图4所示的奥地利林茨数字城市，是将虚拟现实应用到地理学当中，根据地形、地貌以及特征纹理等所创造的虚拟地理环境。体验者在体验时被模拟飞行器吊在空中，戴着立体眼镜感受自己穿梭在整个城市当中，根据自己的需要选择解读该城市的方式，时而漫步街中，时而在河面上掠过，时而又去空中鸟瞰整个城市。考虑到了观者的不同需求，使其深刻感受该城市所包含自然地理文化。

（三）趣味性丰富

地球科普中所包含的科学知识、地理现象等大都具有较强的专业性，晦涩难懂，单调的传统展示设计显然不能满足科普的目的，但在虚拟现实当中，观者通过与展品发生互动，产生交流，往往能发现科学当中的趣味性，深化其对知识的理解。如图5所示为MIT推出的模拟潜水器，利用该潜水器，使用者可以与海洋来一次亲密的接触，它将虚拟现实与悬浮挽具结合在一起，用户在使用时，将头显、耳机以及挽具佩戴上便可体验水的浮力、阻力以及水温等多种水下感受，甚至还有带传感器的手套，可以模仿水下捡拾物品，如贝壳、螃蟹，增加了使用者体验时的娱乐，切身感受地球海洋文化的魅力。

（四）互动性良好

传统的展示设计缺乏互动性，但在交互式虚拟展示设计当中，它更加注重观众的主体参与性，让观者在“身临其境”的环境下，带着一颗好奇的心主动地与展品发生互动，体会其中的科普知识，使得观者与展品的交流从被动变为主动，从单向传播变为互动体验。如图6所示虚拟太阳系模型，观者在体验时，可以利用鼠标、键盘等与模型发生交互，如用鼠标点击地球，就可以观看地月系统之间的运动规律，按下空格会感受到哈雷彗星向太阳运动，就好像身处太空当中在感受身边的一切，体会交互所带来的沉浸感。

三、基于虚拟现实技术的地球科普展示设计原则

从理论上看，以VR技术为基础的地球科普展示设计可以从很大程度上解决目前科技馆、博物馆等发展所面临的一系列问题，将实体空间拓展到网络空间当中，丰富展示方式，实现展示效果的最佳化。但是，如何从实际层面具体进行展示设计系统的构建，如何以最佳的方式展示展品所要表达的信息，如何以最自然的交互方式和观者进行互动，建立一个高效的人机系统，仍然是困扰设计师的一大难题。通过上文分析我们试图为基于虚拟现实的地球科普展示设计提供以下思路：

（一）系统化设计

基于虚拟现实的地球科普展示设计是一个完整人机系统的建立过程。在展示设计当中，要综合把握各方面的因素，研究其之间的关联性，协调好各方面的关系，以免任何因素处于一个“真空”当中，降低展品信息流动的效率。这些因素包括观者、展示媒介、展示环境、综合因素四方面，而它们又可以当做是完整系统中的四个子系统，拥有其各自的结构与层次，展品信息能否高效传达取决于各个因素的协同作用程度。选择合适的照明、温度、湿度、色彩、形态等物理化学环境和心理环境，进行信息显示系统和操纵控制系统设计，调动观者的主动适应能力、主动学习能力，使得观者与展示媒介合理配合，信息传达效果最佳，展示系统综合效能达到最高，实现高效、便捷、环保以及可持续发展的设计理念，是科普展示的重要目的。

（二）智能化设计

展示空间作为人机交互的场所，任何与人互动的方式当中，都有人机交互界面的存在，如何使观者以最自然的交互方式与展品互动，如何考虑不同观者的需求，是人机界面当中不可避免的问题。智能交互空间的引入使得该问题的解决有了新的方向，它嵌入了计算、信息设备以及多模态的传感装置，使得机器不再是被动的指令接受者，而是通过传感装置主动检验环境因素的变化，调节系统运作方式，使展示空间更符合展品的信息传达，与观者自然交互，协作观者完成体验，从而大大降低观者的学习与操作负担，使其有更加深入的沉浸感，不被打断。这是科学发展所带来的突破，也将是基于虚拟现实技术的地球科普展示设计的重要方向。

（三）人性化设计

随着物质生活与文化水平的发展，人们的精神需求不断提升，这也是推动地球科普展示设计发展的根本动力，因此，满足观者的需求，对科普展示进行人性化设计，是当前也必将是未来的主流方向。作为科普展示信息的接受者，人的因素复杂多样，包括人体尺寸参数、机械力学参数、信息传递能力、心理调节能力、心理反射机制等多方面信息，根据具体科普展示内容，选择合适的参数进行设计，是地球科普展示设计的应有内容，这本身就是人性化设计的一部分。

通过人性化设计，对现有展示方式进行改善，使其更加符合人的行为习惯、思维方式、心理情况、生理参数，能够提高观众的参观体验，得到精神上的尊重与满足，这是人性化设计人文关怀的最高体现，也是地球科普展示设计的最终追求。

> 图7 “龙宫探宝”海洋科普馆

> 图8 谷歌眼镜

四、基于虚拟现实技术的地球科普展示设计案例

在我国，将VR技术应用于地球海洋科普的当属近来中科院海洋所制成的海底VR展示研究系统。它是由57万余张海底地形、地貌的实测照片经过数据处理和拼接制作而完成，拍摄该照片的无人潜水器综合利用了国内长基线定位系统、近海底地球物理探测系统和三维激光影像系统，拍出来的照片每张都包含精确的海底信息，因此在虚拟现实海底系统中，每一个点都能得到精确识别，包括水深、位置、生物种类、地质类型等信息，这对于海底实际科学考察具有重要现实意义，通过不断的将采集到的信息以虚拟现实技术融入其中，能够对比得出该地区生物、地貌、岩石的演化过程。体验者戴着VR头盔,可以清晰地看到海底岩石及生物的分布情况，并且可以随意走动寻找目标物，根据不同场景调整灯光，身临其境地开展海底活动，感受一个真实的海底世界。（图7）

另一个将虚拟现实应用于地球科学的代表就是谷歌地球，它是第一个真正意义拥有全球视野的VR应用，谷歌的卫星地图可以放大到街道从而打造3D全现实还原地图，同时它还拥有全世界最先进的神经式网络，使得它包含了5亿平方公里的真实地貌，全球大约175个城市的完整3D数据信息和600个以上城市的核心地区。体验者在使用它时，带上HTC Vive头显，呆在家里就可以畅游罗马古迹、亚马逊河等名胜古迹。此外，用户还可以从太空的角度去观看地球，更深刻的感受自己的家园面貌，了解到更多的地球科学知识。（图8）

总结

虚拟现实技术应用于地球科普展示设计可以解决当前限制其发展的诸多问题，拓展实体空间，丰富展示方式，增强信息互动，实现科普展示效果的最佳化。运用虚拟现实技术进行地球科普展示设计时，要注意所要科普的具体信息，根据其内容选择最佳的展现方式，更要关注科普的受众群体，了解他们的需求进行针对化的设计，满足观者的不同需求。遵循系统化、智能化、人性化的设计原则，将虚拟现实与地球科普展示设计完美结合，对地球科普展示设计的发展具有重要现实意义和引导作用。■

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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

中国科协移动端科普融合创作项目（项目编号：2015184010），湖北省教育厅人文社科研究一般项目（项目编号：16G187）

检 索:www.artdesign.org.cn