大型科研设施的数字化和信息传承与保护的研究

赵正旭 张涛 宋立强 李东年 王威 孙才红

摘  要： 介绍了以美国阿雷西博望远镜为例的大型科研设施的信息传承与保护的困境。为了传承和保护我国500米口径球面射电望远镜（FAST）设施的信息，在研究数字化技术对信息传承与保护作用的基础上，提出一种利用数字化技术对FAST信息传承与保护的方案。通过创建FAST的三维模型、对模型分类编码并利用VR虚拟现实技术对其进行展示，可以有效的传承和保护FAST信息，为大型科研设施信息的传承与保护提供了借鉴。

关键词： 500米口径球面射电望远镜（FAST）; 传承与保护; 数字化; 虚拟现实

中图分类号：TP391.9          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）10-36-04

Abstract： This paper introduces the dilemma of information inheritance and protection of large scientific research facilities by taking the Arecibo Telescope in the United States as an example. In order to inherit and protect the information of China's Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope （FAST） facility， a scheme of using digital technology to inherit and protect FAST information is proposed on the basis of studying the role of digital technology in information inheritance and protection. By creating a three-dimensional model of FAST， classifying and coding the model and displaying it with virtual reality technology， the information of FAST can be effectively inherited and protected， which provides a reference for the inheritance and protection of large scientific research facilities.

Key words： Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope（FAST）; inheritance and protection;  digitization; virtual reality

0 引言

大型科研设施作为研究前端科学的重要工具，对促进科技发展发挥着重要作用。以美国阿雷西博望远镜为例，曾在天文学研究方面做出巨大贡献，然而面对自然的侵蚀以及高昂的维修费用，阿雷西博已锈迹斑斑，面临被关闭的风险。2016年我国500米口径球面射电望远镜（FAST）接力阿雷西博成为世界上第一大望遠镜，如何对FAST设施信息进行传承与保护，避免遭遇阿雷西博的困境，是亟待解决的问题。当下信息技术的飞速发展，丰富的数字化技术为大型科研设施信息的传承与保护带来新契机。

1 大型科研设施状况及困境分析

1.1 阿雷西博望远镜概况

阿雷西博射电望远镜，位于美国波多黎各天然的喀斯特洼地中，口径为305米，后扩建为350米，由美国国家科学基金会（NSF）与中佛罗里达大学（UCF）及其合作伙伴共同运营[1]。从1963年建成，到2016年7月中国500米口径球面射电望远镜（FAST）建成前的50多年间里，阿雷西博一直是世界上最大的单口径望远镜[2]。

阿雷西博望远镜在太阳系天体研究、脉冲星等方面成绩卓著。最激动人心的观测成果是，1974年，Hulse和Taylor发现了第一个双星脉冲星PSRB1913+16，其研究成果证实了引力波的存在，这一成就使他们后来获得了1993年的诺贝尔物理学奖[3];1990年，波兰天文学家Aleksander Wolszczan发现了脉冲星PSRB1257+12，随后发现了它的三颗轨道行星，又一次轰动了科学界，这是人类首次发现太阳系外的行星系统[4]。

阿雷西博望远镜是著名的不可思议的建筑物之一，它于2008年被列入美国国家历史遗迹名录，并且因其壮观的外形受到诸多影视作品的青睐。风靡全球的詹姆斯·邦德电影《007之黄金眼》与好莱坞电影《超时空接触》都曾在这里取景拍摄[5]。

1.2 阿雷西博望远镜的困境

近年来，阿雷西博望远镜几经易主，一直饱受资金问题的困扰。从20世纪70年代建成起，阿雷西博望远镜一直由康奈尔大学管理;2011年运营商转换为斯坦福国际研究院（SRI）、大学空间研究协会（USRA）和波多黎各城市大学（UMET）;2018年中佛罗里达大学（UCF）宣布接管阿雷西博望远镜。从2006年起，美国国家科学基金（NSF）连续大幅度削减对阿雷西博望远镜的研究经费，如果无法获得其他资金来源，面临被迫关闭的风险;2017年，飓风玛丽亚导致阿雷西博望远镜上方大型馈源天线断裂，并砸坏了主反射面，需要高达1430万美元的费用来维修，这进一步给阿雷西博的未来蒙上了阴影[6]。

阿雷西博望远镜已经56岁了，曾经风光无限，如今饱经风雨、年久失修、锈迹斑斑，远远望去犹如大型垃圾场，前景堪忧，令人唏嘘不已。2016年我国500米口径球面射电望远镜（FAST）接力阿雷西博成为世界第一大望远镜，阿雷西博的困境不得不引起对大型科研设施保护的注意，如何避免我国FAST遭遇同样的问题，让FAST设施的信息得到有效保护和长远发展，是亟待解决的问题。当前科技迅速发展，数字化技术对大型科研设施信息传承与保护提供了新途径，这是大型科研设施保护工作的福音，也是数字化技术的创新运用。

2 数字化为大型科研设施的传承与保护带来新机遇

2.1 为大型科研设施信息的传承与保护提供多种技术手段

数字化时代涌现的各种各样的数字化技术手段，为大型科研设施信息的传承与保护提供了有力的技术保障。运用数字摄影、全息拍摄和三维扫描等技术对大型科研设施的信息进行数字化采集，将大型科研设施信息资料记录下来，有利于大型科研设施信息的保存;利用数字化的信息处理技术，将大型科研设施信息进行分类整理，构建信息数据库，存储于计算机硬盘、云盘等介质中，可实现对信息的有效存储和便捷访问;运用数字媒体、虚拟现实及可视化等技术，对大型设施进行还原及创建虚拟情境，可以直观形象地对其进行多维度的展示，从而给予有效的保护和传播[7]。

2.2 加快大型科研设施的推广传播，增加其受众群体

数字化时代多样的传播渠道和方式，加快了大型科研设施的推广传播，增加了其受众群体。数字广播、数字影视及智能手机等新媒体技术丰富了大型科研设施的传承渠道和空间，特别是智能手机终端，更加方便了人们了解信息。大型科研设施作为国之重器，对于人才培养和科学研究发挥了重要作用，一旦其信息上传到互联网，通过数字化时代丰富的信息传播方式，就会大大增加大型科研设施信息传承的受众群体，使普通百姓也能了解重要科学工具，这对于大众科普具有重要意义[8]。

3 大型科研设施数字化传承与保护途径

中国500米口径球面射电望远镜（FAST），被誉为“中国天眼”，属于国家重大科技基础设施，用来实现大天区面积、高精度的天文观测，是具有我国自主知识产权、世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜。FAST是天文学家南仁东于1994年提出的构想，由中国科学院国家天文台主导建设，以贵州省平塘县喀斯特地貌洼坑为台址，历经22年，于2016年落成启用[9]。截至2018年，FAST已经发现59颗优质的脉冲星候选体，其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星[10]。FAST拥有30个标准足球场大的接受面积，能够接收到137亿光年以外的电磁信号，观测范围可达宇宙边缘，综合性能是著名的阿雷西博望远镜的10倍，未来20至30年将保持世界领先地位，并将吸引国内外一流人才和前沿科研课题，成为国际天文学术交流中心[11]。

阿雷西博望远镜遭遇的困境，敲响了对FAST保护的警钟。FAST由于地处偏僻以及避免电磁污染，不便现场观看，为了对FAST设施信息进行传承与保护，下面提出一种方案。根据FAST的图纸创建其三维模型，并对三维模型分类编码，再利用VR虚拟漫游技术实现场景漫游，构建出可视化的FAST三维模型动态展示系统。该方案以推动FAST的科普教育和成果推广，辅助FAST的使用维护及发展规划，为大型科研设施FAST的传承与保护提供强大的数据信息支撑。

3.1 创建三维模型

对物体进行三维建模，主要是在三维空间中，对其形状、颜色、材质、光照、运动等本质属性进行研究表达，进而达到三维再现的过程[12]。三维建模构造出来的三维场景所带来的沉浸式的感官体验远远超过二维场景，并且通过构建三维模型，可以有效的保存FAST设施各部件的精确信息，起到信息传承与保护的作用。FAST设施的核心部分为主动反射面系统，它由四千多块反射面单元面板组装成口径为500米的球狀反射面主体，每块反射面单元面板对应着支撑它的背架及索网，索网包含6670根主索及2225根下拉索，每根下拉索连接着一个促动器，通过地锚固定在地面上，能实现实时控制下形成瞬时300米口径抛物面的功能。

FAST如此复杂庞大的结构需要采用合适的建模方法及建模工具，三维建模的核心就是根据物体的三维空间信息构造出其几何模型。FAST的三维空间信息需要通过研究其复杂的拓扑结构并且采用合适的算法运用计算机程序建立三维空间特征点的空间位置与二维图像对应点的坐标间的定量关系，进而确定研究对象表面任意点的坐标值，再根据物体的尺寸、形状、坐标等属性信息构造它的三维几何模型。目前常见的三维建模软件包括3DS Max、Autodesk Maya及Blender等，而Blender凭借其可跨平台、开源免费、便捷小巧、兼容性强等优势，特别是内置Python脚本，极大地提高了建模效率，成为FAST建模工具的不二之选。

3.2 模型分类编码

FAST各部分三维模型数以万计，零件细节更是繁琐复杂，如何有效的管理、调度、检索、控制这些三维模型是亟待解决的问题。目前对三维模型的研究主要集中在分类和检索上面，Lu等人将三维模型间的不相交信息和欧氏距离作为它们两两之间的距离度量，然后基于此距离度量将三维模型间的联系构造成一个图的框架，最后用半监督的方法估计三维模型的类别[13];陈蕾在文献中提到一种对三维模型分类编码的管理方法，采用巴克斯范式规范地描述三维模型文件，并设计一种分类编码器对模型进行分类，可以有效地对三维模型进行规范化管理[14]。FAST三维模型复杂的结构正需要规范化的管理，从而提高三维模型的调用速度，减小模型占用空间，提高模型复用率，保证三维模型使用的实时性。

3.3 VR虚拟展示

虚拟现实（Virtual Reality，VR）又称灵境技术，产生于20世纪60年代，被认为是21世纪最具发展潜力的学科。虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面近似的数字化环境的一种虚拟仿真技术。用户可以借助一些可穿戴装备，与数字化环境中的对象进行交互，从而互相影响，达到身临其境的沉浸式体验[15]。虚拟技术的快速发展，在很多领域都出现了开创性的引领作用，展露出了巨大的应用价值，同时也为大型科研设施信息的传承与保护开辟了新途径。图1所示为FAST设施部分三维模型，待FAST三维模型全部创建完成之后，需要导入到虚拟仿真平台中，利用VR技术，创建虚拟情景，对其动态过程进行还原，实现虚拟漫游及交互设计等功能，来对三维场景进行动态的展示[16]，以达到直观形象、生动自然的保护与传承FAST信息的效果。

4 结束语

大型科研设施是重要的科学工具，应充分发挥数字化技术在信息传承与保护方面的优势，将物质资源转变为取之不尽用之不竭的信息资源。本文提出了一种对FAST信息数字化传承和保护的方案，通过三维建模、模型分类编码及VR虚拟展示技术，将FAST资源形成一个数字空间，这不仅有效的对FAST信息进行了传承与保护，而且为大型科研设施信息的传承与保护提供了有参考价值的理论和技术依据。下一步的研究内容是对FAST的模型分类编码和虚拟展示工作的进一步完善。

参考文献（References）：

[1] Clery，D.Arecibo telescope saved by university consortium [J].Science，2018.359（6379）：965–966

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[3] Taylor J H. DISCOVERY OF A PULSAR IN A BINARY SYSTEM [J]. Annals of the New York Academy of Sciences，1975.262（none）：490-492

[4] Wolszczan，A.Confirmation of Earth-Mass Planets Orbiting the Millisecond Pulsar PSR B1257+12[J].Science， 1994.264（5158）：538-542

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[13] Lu K，Wang Q，Xue J，et al.3D model retrieval and classification by semi-supervised learning with content-based similarity[J].Information Sciences， 2014.281：703-713

[14] 赵正旭，陈蕾，郭阳.三维模型的分类编码研究[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2017.30（1）：104-110

[15] 杨欢，刘小玲.虚拟现实系统综述[J].软件导，2016.15（4）：35-38

[16] 石敏，王俊铮，魏家辉.真实感三维虚拟场景构建与漫游方法[J].系统仿真学报，2014.26（9）：1969-1974，1979