科技馆[转]

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一、引言
　　随着时间的推移，以展板、实物为主要展示内容，其中包含一些互动环节和多媒体演示功能的博物馆已经成为主流，这比起早先仅是一些展板加实物的展示有了很大进步，参观者不再仅仅是走马观花式地观看，还可以进行多种方式的观赏与多种手段的交互式操作。然而，公众尤其是青少年的求知欲望强烈，他们对科学技术的情景体验、启智思维等充满了更多的好奇，随着信息技术的发展，旧的科技博物馆需要更多更新的技术来承载。随着人类社会的不断进步和发展，在国家“2049计划（全民科学素养行动计划）”推动下，建设新型的科技馆已势在必行。
　　本文将以中国科学院计算技术研究所新近为中国科学技术馆新馆所研发的一系列新型互动展品为例，探讨计算机图形学及相关技术在新型科技馆中的应用。
二、未来科技博物馆的发展方向
2.1新型科技博物馆的关键作用
　　20世纪以来，科学技术极大地改变了人们传统的生产和生活方式，人们在科学技术带来的便利的同时，也对科学技术及其发展倾注了极大的热情。无论是提高全民科学素养的需要，还是人们获取更丰富的知识的需要，科学普及已经成为最常见的名词，并已贯穿到人们生活当中。有人说：“经济科技化和科技社会化，已经成为我们时代的鲜明特征。”[1]面对大力提高公众科技素质这一世界各国共同关切的重大课题，新型科技博物馆作为一项大型社会科技教育设施，肩负着实施科教兴国战略、普及科学知识的重要使命；承担着提高公众科学文化素养的重要责任。
　　吴凡在其文章《科技馆在新世纪科普工作中的地位和作用浅析》中曾谈到：科普工作是一项有明确目的的科学活动。它的内涵和过程表现为“以各种方式向全社会传播科学技术，实现知识的扩散、转移和形态转化，以达到预想的社会、经济、教育和科学文化效果”。我国已经把科普工作的意义和作用定位为弘扬科学精神、传播科学思想和科学方法、提高国民的科学素质，提高人们参与社会经济活动的能力，提高文明程度和精神生活质量。当前，科普工作更具有反对迷信，反对伪科学和邪教，维护社会稳定的重大现实意义。
　　科普是一项系统工程，包含丰富的内容。国内外的科普实践证明：新型科技博物馆既是科技发展和知识经济时代的产物，它又反过来作用于国家、社会和公众，能够产生间接的却是重大的社会效益和经济效益。
2.2不断丰富完善的科技博物馆功能
　　在信息技术等高新技术的推动及作用下，传统的博物馆已经经历了几次大的变迁，尤其表现在展示方式和展品的制作上面。
　　英国牛津大学在1683年创建了阿斯莫林博物馆，是世界上现代形态科技博物馆的雏形，随后陆续建立的以对自然界动植物以及矿石、化石等方面的研究成果和采集的标本进行收藏和展示的自然博物馆被称为第一代科技博物馆。这些成果不仅可供科学家研究，而且在对公众开放之后也起到了社会教育作用。
　　第二代科技类博物馆是20世纪以来，物理、化学、数学等基础科学和纺织、机械、电子、交通等工业迅猛发展，对人类社会生活产生了重大影响。工业革命的骄人成果，诸如蒸汽机、火车、汽车、飞机、电话、发动机、发电机等科技发明及其历代产品都进了工业技术博物馆并向公众展示。人们可以从中看到科技发展的轨迹，感受科学家、发明家的智慧。
　　第三代科技类博物馆融合了更多的展示及交互技术。由于20世纪40年代以来，科技发展速度不断加快，人们已经不满足于从学校、书本、媒体和陈列式的工业技术博物馆里了解科技。科学家、教育家、企业家也在为如何开展科技教育和更有效地赢得公众对科技成果的支持而冥思苦索。1937年巴黎发现宫开馆，它标志着一种集科学性、知识性、趣味性、参与性于一体的新型科技博物馆诞生了。此后，德意志工业科技博物馆、美国旧金山探索馆等科技馆在科技展示内容和表现手段上不断发展和完善。这是第三代科技博物馆，在其展示手段上以动态技术取代了静态陈列方式。[1]
　　而今，简单的互动式展示手段也无法跟上飞速发展的科技脚步。一种在高新数字技术支撑下的创新型科技博物馆应运而生。除了以往大量使用的声、光、机、电等动态技术外，创新型科技博物馆同时引进计算机技术、仿真技术、互联网技术、虚拟现实技术、增强现实技术、数字特种电影等现代影像技术并加入先进的展示手段，这使得展品在展示内容和形式上更加具有高起点，更富有时代特色和丰富的科技内涵，实现人们与展品之间信息上的无障碍交流，使人们领略到一场奇幻异彩、耳目一新的视听盛宴，因此，我们说高新技术支撑下的创新型科技博物馆是未来科技博物馆发展的方向。
三、计算机图形学在新型科技馆中的应用
　　下面，我们将从三维数字化、虚拟现实、增强现实、计算机视觉，以及数字特种电影技术等计算机图形学相关技术在科普展品中的应用实例来进行阐述。
3.1三维数字化在展项中的应用
　　首先，三维数字化的目标，是在数字屏幕中真实且忠实地再现出现实中的物体；复原出存在于远古的物体；创造出存在于幻想中的未来物体；或重构出微观的和遥远外太空的物体。一切用传统手段无法描绘和展现的，通过三维数字化技术，均可得以实现，并生动奇妙地“活”在观众面前。
　　图形图像作为科技博物馆中最常见展示手段的一部分，如今面临着国外游戏、影视特效大片在画面质量、视觉冲击力以及真实感水平快速增长提高的巨大冲击。大众对视觉感官的要求一般水平已难以满足。在满足科学性和客观性的前提下，三维数字化使得科技博物馆中的展项在画面质量上达到电影级的水平，极大地提高了人们的视觉感受。
　　以下是展项《透视恐龙》根据化石对一系列全新恐龙及其生活环境的全三维复原。

　

图1：展项《透视恐龙》中通过计算机三维古生物复原技术复原的一系列恐龙

3.2增强现实在展项中的应用
　　虚拟现实(Virtual Reality，简称VR;又译作灵境)是近年来出现的高新技术，可让展品与观众互动起来，让观众沉浸在一个计算机模拟的展示厅中，通过亲身参与激发自己的想象，并在寓教于乐的过程中轻松获取展品的内涵和相关科学知识。
　　比如，一般来说，基础科学知识枯燥乏味，不宜被人关注并理解。通过分析儿童心理学的特点，中国科学院计算技术研究所设计并研制的《干细胞复活记》、《帮他站起来》等展项使用实时虚拟现实交互技术以及数字立体显像技术，向观众传播了专业的医学知识，并让观众真实体验微创手术，观众在轻松愉快的环境下学习知识、体验帮助他人的乐趣。该展项还能有效地激发观众对未来医学的学习兴趣，真正起到教育、引导、启发等作用。

图2：干细胞修复神经元的虚拟展示

　　增强现实(Augmented Reality)则可把梦想照进现实。增强现实技术，也被称之为混合现实，是在虚拟现实的基础上发展起来的新兴技术，它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，形成“亦真亦幻”的景象。在增强现实系统中，真实物体和虚拟物体除了要实现视觉上的融合之外，还要能够实现视觉交互和物理交互。增强现实游历于虚拟现实和真实之间。
　　例如，展项《神秘之窟》就是增强现实技术的代表性展项。它提供人们关于敦煌莫高窟第45窟视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同亲历真实洞窟一般，可以及时、没有限制地观察洞窟内的事物，包括彩塑、壁画及建筑等人文艺术。
　　在展项“神秘之窟”中，通过该集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等多种最新技术成果实现了人们可在洞窟内随意漫游的互动方式。并且采用了非接触式人机对话，这与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。
　　此外，展项“神秘之窟”还具有多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）等多种特征。通过参与者与仿真环境敦煌莫高窟第45窟的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程 ）是虚拟现实的最终目的。作为科技馆的展览项目，在实现其教学目的的过程中，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。为人们提供生动、逼真的学习环境，从而加速和巩固人们学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。
　　同时，它也节省人们进行实地考察的成本；彻底打破时间与空间的限制，使人们在很短的时间内对敦煌莫高窟的洞窟艺术和中华文明进行多角度了解。

图3：增强现实互动展项《神秘之窟》

3.3计算机视觉在展项中的应用
　　非接触式的交互方式基于计算机立体视觉技术，它通过在空中指点、挥手，或者翻书等操作，可最大限度避免展品的损耗，比如我所设计并研制的展品《魔法书》，观众翻动实物书页，通过计算机立体视觉技术对翻书过程的动态分析与识别，观众将在显示器中看到自己翻书的过程，有趣的是，一个三维生成的计算机拔地而起，叠加到书页的平面计算机图片上。观众可通过轻触书中的不同位置，去操纵三维计算机工作，或通过相应的三维动态演示了解相应时期计算机的原理、组成和特点等，使计算机发展历程中科技创新精神和书籍人文色彩有机地结合起来。
　　

　　图4：计算机立体视觉技术下的非接触式互动展项《魔法书》

　　
3.4数字特种电影在展项中的应用
　　特种电影是在普通院线电影形式的基础上发展起来的一种新型的电影类型，因其展示形式通常采用与常规院线电影不同的技术、设备、影片。因而这种特殊的电影形式以扩大视场角、强调感官体验、增强临场感为特点，多年来深受广大观众的喜爱。包括CAVE、柱幕、4D、球幕等形式。其中，球幕（Full-dome）技术是继CAVE和柱幕之后，目前最顶级的沉浸感数字电影方式。
　　数字球幕电影国际标准2004年刚开始讨论，并设立了Full-dome Standards Summit，第一次对Full-dome制作国际标准进行了讨论，并按天象影片的要求，对各项指标提出了建议，如分辨率的建议标准为3160×3160以上。
　　我所在数字球幕电影方面的研究达到了世界领先水平，其分辨率已经达到8000×8000，是国际建议标准的7倍，避免了分辨率不足易造成的头晕，并可真正展示出毛孔级的震撼细节。展项《神秘之窟》、《穿越寒武纪》和《飞向蓝天的恐龙》均为中科院计算所研制的，基于数字特种电影的科教展品。
　　

  　　图5：高清数字特种电影场景

四、展望
　　计算机图形学等技术支撑下的科技博物馆，将成为第四代的科技博物馆。
　　它从更深的一个层面提高了科技博物馆的科技含量，并且极大地丰富和拓宽了展项展示手段的设计思路，使科学普及以一种全新的姿态展示在社会公众面前；它将成为科技博物馆坚固的基石，奠定科学普及展项的全新高度。