基于红外侦察展项设计的虚拟科技馆互动仿真模拟技术研究
王 爽1，才 华2，姜春雨1，别 光1，杜 丹1，赵 智1
(1.长春中国光学科学技术馆，长春130017； 2.长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022)
摘 要： 目前VR(虚拟现实)技术发展势头迅猛，且在部分领域已有较为成熟的应用，将VR技术与科技馆科学普及展示相结合，可以提高科技馆的科普趣味性、公众体验感，其展示形式多样化。本文以长春中国光学科学技术馆《基于云的虚拟互动科技馆及应用示范》中“红外侦查”展项为例具体阐述如何将VR技术与科技馆科普展项相结合。VR技术作为重要手段实施“互联网+科普”建设工程，以超现实沉浸、自然人机交互和跨时空创想为理念，建设实体VR科技馆、流动VR科技馆以及在线VR科技馆等。使公众能够身临其境般地参与互动体验，突破科普的时空局限，充分激发公众的创造力和想象力。
关键词： 虚拟现实；科技馆；互动展项；虚拟仿真场景
0 前言
长春中国光学科学技术馆是我国唯一的国家级光学专业科技馆，长春中国光学科学技术馆以“科技之光·引领未来”为主题，经国家批示建立的大型光学科普基础设施。具有光学科技成果展示、光学知识普及教育、光学科技发展研讨及国际光学合作交流等多项功能。常设展厅中第六展厅的主题为光彩世界，通过对光学重要应用的体验，让参观者感受光学技术在各领域的应用，体现光学研究的重要意义。红外侦查和激光制导互动展项作为光学技术比较集中的一个体现，我馆基于此为原型开发虚拟互动科技馆展项之一。[1]
永磁同步电机架悬直驱技术，要求轮对与电机空心轴间留有一定间隙，来适应轮对与空心轴之间的动态变位。对于城市轨道交通车辆，此动态变位主要来自空重车变化下的一系弹簧垂向静挠度改变量，轨道非线性病害冲击，以及轨道随机不平顺激励下的轮对和空心轴间动态位移。因此，永磁同步电机架悬直驱结构设计面临如下技术难点：如何实现永磁同步直驱电机和车轴的匹配，并使之在轨缝、道岔或轨道病害等非线性冲击以及轨道随机激励下不互相干涉。
红外侦查一般是利用红外探测设备在海陆空等领域获取目标的红外信息技术，不论昼夜，可以透过烟尘、迷雾和伪装实现对目标的发现和识别。目前应用最广泛的设备就是红外热像仪。红外热像仪是将物体发出的不可见的红外能量转变为可见图像的仪器，它是由红外成像器件和红外光学系统等组成，能够探测物体自身发出的红外辐射，借助于物体的温度差别而获得红外图像，因此不受光照与否的影响。这种图像也称为温度图像或热图像。热图像是没有颜色的黑白图像，彩色显示热像仪中的颜色是人为制造的伪彩色，以不同的颜色代表被测物体的不同温度，能够更直观地分辨出物体温度的高低。图1是红外热图像和几种红外观察仪。
红外热图像
红外观察仪
红外观察仪
红外观察仪
图1 红外热图像和红外观察仪
激光制导技术用于控制导弹的飞行轨迹，引导其击中目标。其基本原理是：用激光器发射激光束照射目标，装于弹体上的激光接收装置则接收照射的激光信号或目标反射的激光信号，算出弹体偏离照射或反射激光束的程度，不断调整飞行轨迹，使导弹沿着照射或反射激光前进，最终命中目标。精准是激光制导武器的鲜明特点，由于激光的单色性好，光束的发散角小，敌方很难对制导系统实施有效干扰，因而使它具有了其他制导方式无法匹敌的优势。所以，当激光制导武器攻击固定或活动目标时，命中率极高。此外激光还可与红外、雷达、GPS等实现复合制导，更有利于提高制导精度和应付各种复杂的战场环境，从而发挥全天候作战的优势。[2]本文正是将红外侦查与激光制导展项相结合后，利用虚拟仿真技术实现在VR场景下进行光学科普体验。图2是我馆红外侦查与激光制导展项实物图。
图2 红外侦查与激光制导展项实物图
1 交互效果方案的制定
首先，方案制定的效果前提是需在夜晚情况下，侦察兵勘察敌方营地。选择在场景中移动的互动方式。具体视觉效果需可切换夜视模式和夜晚模式。夜视模式能够看到敌方的车辆、人员位置、动物位置及其移动情况。夜晚模式能够看到夜晚真实场景，记录敌方地形、车辆及人员位置。在移动过程需有走动、蹲下、快速跑、向指定点打激光束等动作。
HTC vive通过以下3个部分致力于给使用者提供沉浸式体验：一个头戴式显示器、两个单手持控制器、一个能于空间内同时追踪显示器与控制器的定位系统(Lighthouse)。[3]
最后具体实施过程分为红外侦查和激光制导。其中红外侦查部分可随时切换夜视模式。进入敌方阵营的主要目的是刺探敌方阵营人员、位置、车辆(真假车辆作为混淆目标)、是否有人质及具体地形。增加野外小动物(兔子(常温动物)、蛇(变温动物)等)用以与人区别。敌方设置有巡逻人员、坦克等。在侦查过程中记录敌方的人员、分布及坦克车辆等情况。侦查情况与实际情况进行对比，进行测评。(侦查过程中如被发现，会被敌方击毙，回到初始。)激光制导即实施爆破，需在足够的距离外隐蔽，利用红外侦查效果进行激光制导的信号发射。选择目标进行定向制导爆破。结束任务后，可根据任务完成情况显示结果。
2 虚拟仿真场景及模型构建
2.1 场景构建设计
综合考虑项目需求及实际项目情况，最终选定使用Windows 10系统和Unity进行项目开发。
2.2 三围场景制作
使用三维建模软件3D Max、Maya等多边形建模技术，通过样条线建模工具，多边形编辑工具，对称、光滑组等建模工具命令，实现三维场景模型的制作。图3是红外侦查建模图片。
对全部患者应用彩色超声诊断仪进行检查，调节线阵探头频率为5～12MHz，调节患者姿势为平卧位，将其头部略向对侧偏斜，使其颈部得到充分暴露，根据颈部淋巴结分区进行顺序检查[2]。观察患者颈部淋巴结分区、淋巴结最大切面短径、淋巴结最大切面长径、周围边界情况、皮质髓质改变、形态等[3]。
对比２种回归模型结果可以发现，Logistic回归模型更偏向于相信身边选择校园贷的人愈多，本身选择校园贷的可能性就愈少，而逐步回归模型倾向于“近墨者黑”的思想，即身边陷入校园贷的人愈多，本身选择校园贷的可能性只会更高．不言而喻，逐步回归模型更接近现实生活情况．此外，开销占比指的是当月开销占当月生活费的比例，现实中大学生的生活费处于供不应求的状态时，更容易选择校园贷，这与逐步回归模型的结果一致，但Logistic回归却认为占比越低越容易贷款，这违背了经济学的需求平衡．
2.3 模型构建
根据开发文档及需求文档进行人物、动物、房屋、交互物体等模型的制作。模型制作主要有以下4个部分:1)静态物体模型制作及分布；2)人物模型制作；3)交互物体制作及分布；4)制作模型贴图。
图3 红外侦查建模图片
3 VR设备与相关开发平台的适配
经过多方面详细考虑，我们选取了HTC vive和Oculus两款比较主流的VR设备。图4是HTC vice和Oculus设备。
黑白交织的光影中，肱骨、耻骨、股骨、胫骨、髂骨……我在书桌旁用毛刷蘸了清漆抹在我所收藏的第207块骨骼上。最左侧的一具颅骨正对我露齿微笑，像极了我的人骨父亲。风干以后的骨骼需要定期保养，才会泛出动人的光泽，我的秘室里藏着206块骨头，这些骨骼来源于206位死者的身躯，死者是我借以拯救生灵的沉默大军。
3.1 HTC vive
HTC vive是由HTC与Valve联合开发的一款VR头显(虚拟现实头戴式显示器)产品，于2015年3月在MWC2015上发布。由于有Valve的SteamVR提供的技术支持，因此在Steam平台上已经可以体验利用Vive功能的虚拟现实游戏。
在头显上，HTC Vive开发者版采用了一块OLED屏幕，单眼有效分辨率为1 200×1 080，双眼合并分辨率为2 160×1 200。2 k分辨率大大降低了画面的颗粒感，用户几乎感觉不到纱门效应。并且能在佩戴眼镜的同时戴上头显，即使没有佩戴眼镜，400度左右近视依然能清楚地看到画面的细节。画面刷新率为90 Hz，今年3月份的数据显示延迟为22 ms，实际体验几乎零延迟，也不觉得恶心和眩晕。
其次，侦查目的是侦查敌方军事布局、物资及人员安排等，侦查后通过激光制导实施定向爆破。
3.2 Oculus消费者版
Oculus消费者版是一款由虚拟现实公司Oculus VR开发的虚拟现实显示器，可使体验者在身体感官中的“视觉”部分进入到游戏当中。
The authors thank National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61534004, 61604112 and 61622405).
3)头部高度变化：根据头部高度变化数据，判断用户状态，在场景中模拟真实的动作；
这是一款虚拟现实显示器，能够使使用者身体感官中的“视觉”部分如同进入游戏中，向黑客帝国中所展示的技术迈出了第一步。该设备与索尼HMZ系列为代表的头戴显示设备有较大区别，Oculus Rift提供的是虚拟现实体验。戴上后几乎没有“屏幕”这个概念，用户看到的是整个世界。设备支持方面，开发者已有Unity3D、Source引擎、虚幻4引擎提供官方开发支持。[4]
3.3 开发平台设备与开发平台适配
在确定交互效果方案后，需将场景构建进行系统设计,通过对项目需求文档进行分析，整理出初步开发文档，随后根据需求文档及项目开发文档为基础形成开发文档，再收集整理规划图、效果图、现场照片等。并对现场图片进行整理及添加初步效果，将初步处理图片与开发文档结合，再次形成最终开发方案。
在VR设备与开发平台适配时，均需正确安装驱动文件，将设备与电脑连接，并根据说明设置用户信息，打开Unity下载相关插件等。
图4 HTC vive和Oculus
4 VR设备与虚拟仿真场景的交互
为了增强虚拟仿真场景的真实感，使用户拥有更加真实的体验，我们需要收集头盔、手柄等设备的实时数据，并在场景中即时做出相应的反馈，给体验者一种身临其境的感觉。
4.1 VR头盔设备交互与运动数据采集
在VR虚拟仿真场景中，我们需要实时收集头盔的运动轨迹数据、旋转数据以及视点数据，并在场景中处理相应的逻辑。
我们使用VR驱动程序提供的SDK及Unity官方的插件接口来获取头盔在场景中的位置移动，以及头盔的旋转数据，并根据摄像机的实时位置构建一条视线射线，以检测用户的观察点。
从建筑、工业、旅行、时尚，到汽车、摩托车、食物、杯具，和我认识的许多设计师不同，吴滨的喜好目录真的可以说上三天三夜。而在众多喜好之中，吴滨和我一样都对英国车有着强烈的好感。
4.2 VR头盔运动数据处理与虚拟仿真场景对接
从VR头盔获取的数据中有很多数据是多余的，例如用户的头部轻微抖动以及身体轻微晃动等数据，这些数据全部模拟可能会使用户产生眩晕的感觉，因此我们要将这样的数据剔除掉。
同时VR头盔设备返回的数据并不是连续有规律的，按照真实的运动数据进行模拟会使得用户看到的图像有震颤、抖动、速度骤变等现象，这些现象很容易使用户产生眩晕的感觉，因此我们需要使用算法将这些数据进行插值平滑，移除异常数据，取缔加速运动效果，平滑速度骤变等，以此来优化数据，给用户更好的体验。
观察组31例中，治愈1例，好转26例，未愈4例，总有效率为87.10%；对照组31例中，治愈0例，好转20例，未愈11例，总有效率为64.52%，观察组明显优于对照组，两组效果比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。
经过以上的数据处理后，便可以将处理好的数据传递给我们的虚拟场景，使观察相机做出相应的反馈。
4.3 虚拟仿真场景根据运动数据产生反馈
获取到处理好的数据后，在虚拟仿真场景中对相应的运动数据进行实时反馈，主要有以下反馈：
1)用户移动：场景中观察摄像机移动，模拟真实的运动效果；
2)头部旋转：根据优化后的数据，适当地旋转观察摄像机，模拟真实转头效果；
Oculus费者版的每个目镜的分辨率为640×800，双眼的视觉合并之后便拥有1280×800的分辨率。并且具有陀螺仪控制的视角是这款游戏产品的一大特色，可以使游戏的沉浸感大幅提升。
2.4 初生窝重 第一胎3个类型间的初生窝重相互比较差异均无统计学意义（P＞0.05），平均为15.20 kg。第二胎长白猪和长大二元猪的初生窝重与大白猪比较差异具有统计学意义（P＜0.05），而长白猪与长大二元猪比较差异无统计学意义（P＞0.05）。第三胎大白猪的初生窝重与长白猪和长大二元猪比较差异具有统计学意义（P＜0.01），而长白猪和长大二元猪比较差异无统计学意义（P＞0.05）。
4)场景移动反馈：场景中地形有高度变化的，也有很多障碍物，所以需要在用户运动过程中，即时根据场景反馈出不同的效果，如爬山效果，或者用户在虚拟场景中碰到障碍物等效果。
4.4 VR手柄设备与虚拟仿真场景的交互
4.4.1 VR手柄设备操作数据采集
致谢：本文得到了广东省有色地质勘查院粤北分院肖元贵、郭兰宣高级工程师的大力支持；广东省有色金属地质局王军同志在图件及文稿修改方面给予了大量帮助，在此谨表衷心的感谢！
作曲家们沿着秧歌剧的“脚步”，同时借鉴中外多种文化，创作出了属于中国的民族歌剧《白毛女》，它的出现对我国各种民族歌剧的创作产生了普遍的影响，具有里程碑的意义。这部歌剧也是在我国民族歌剧的历史上留下灿烂的光芒。而那些作曲家和剧作家不畏困难的精神也值得我们学习。
4.4.2 VR手柄操作数据收集及分类处理与虚拟仿真场景对接
根据收集到的操作数据进行统一，设置按键延迟，最大按键数识别，以及连续按键剔除等，并以委托的形式与场景对接。
4.4.3 VR手柄设备与虚拟仿真场景交互及反馈
场景中人物手臂手掌部等，根据操作手柄的数据做出实时变化，手柄与场景的交互反馈主要有以下几点：1)手臂动作：场景中人物的手臂实时根据数据模拟相应的动作；2)手掌动作：根据操作设备的抓握手势等数据，在场景实时模拟抓握动作，并在场景中实时与场景物体、UI、人物等进行交互；3)按键操作：根据手柄设备的按键数据，在场景中模拟相应操作，例如瞄准、标记、开枪等，具体交互根据项目不同有不同的设定；4)场景对手柄的反馈：在场景中手臂碰撞物体、受伤等状况发生时，实时控制手柄震动。
5 虚拟仿真场景优化
为了给用户更好的体验，对虚拟仿真场景整体进行优化，降低项目对用户设备的要求，提升项目流畅性，提高项目模拟效果。
5.1 虚拟仿真场景效果优化
5.1.1 场景仿真
1)将之前制作的场景模型、物体模型进行合理的分布；2)合理分布河流、山体、草木、物体等位置，使场景更加贴近现实，增强带入感；3)优化地形、障碍物、物体等碰撞体。使得物理碰撞更加合理真实；4)由现实物体照片提取贴图，合理分配UV，提升场景的真实感；5)减少不必要的模型面数，减少资源消耗，提升整体流畅度。
5.1.2 运动平滑
在手柄操作数据收集之前，首先要对手柄设备进行判断，以便使项目同时支持Oculus和HTC vive设备的操作，为了操作统一，所以只对两款设备共有的按键进行收集，其他按键均忽视，并将收集到的操作数据传递给场景。
场景制作主要有3个部分：场景360°天空制作；场景地形、地面、山体、河流等模型的制作；天空地面、山体、河流等贴图制作。
1)优化场景漫游运动，减少震动，减少眩晕感，提升体验；2)优化视角转动曲线，缩减加速度，减少眩晕感；3)屏蔽不必要运动模拟，增强体验。
5.1.3 特效仿真
由研究组成员向每一位研究对象解释本研究的目的和意义，签订知情同意书，保证在知情同意的情况下，由同一名护士抽取研究对象同一侧肘部静脉血1 mL，用微量移液枪取新鲜全血100 µL均匀划于干燥滤纸上，一式两份，自然风干后装自封袋中保存。全部标本送山西医科大学营养与卫生学教研室进行血硒含量测定，采用2，3-二氨基萘荧光法。
(2) 接口焊缝不能连续焊，必须焊一小段，换个地方再焊一小段，这样可大大减小焊缝的线能量，有效控制焊接变形。
1)增加运动模糊等效果，使运动效果更加真实；2)调整环境灯、模型灯光反射等参数，模拟现实世界效果，增强真实感；3)增加烟雾、火焰、爆炸、碰撞、水等粒子效果；4)调整场景整体特效，使场景看起来更加真实。图5是红外侦查爆破图。
5.1.4 交互仿真
1)结合场景中的障碍物等，为用户提供实时的反馈，增强带入感；2)及时反馈设备各种输入信息，使操作更加真实带感。
5.2 交互响应速度优化
交互相应速度的优化包括：交互数据处理优化、场景Mesh面数优化、场景粒子合并优化以及代码结构优化。
优化交互数据处理逻辑，提升交互速度；合理设计交互效果，提升交互真实感；对场景内模型进行Mesh优化，在不影响显示效果的前提下最大程度减少模型面数；优化不合理Mesh分布；相同模型公用Mesh文件；不影响效果的情况下减少场景中粒子数；优化粒子效果，合理分配粒子生命周期；合并相关粒子，减少资源消耗；多次整理优化代码，减少不必要资源消耗；统一设计整体结构，使代码更加合理；去除无用代码，便于维护。
图5 红外侦查爆破图
6 项目发布优化
项目资源优化包括：资源打包动态加载、贴图资源等优化和复用资源优化。
将场景中各个模型资源分类打包，在项目运行时动态加载。减少项目运行时资源占用，提升运行效果，降低对硬件的要求，在不影响效果的情况下，降低贴图资源的分辨率以减少资源消耗，并将贴图资源分辨率设置为2的n 次幂，以便Unity内部对贴图资源的优化；对于可复用资源项目中只保留一份，降低项目的资源消耗，提高流畅度。
感染最急性型羊链球菌病的病羊致死速度是非常之快的，通常从发病到死亡只在短短的24小时之内，很难采取相应的治疗和诊断，同时在症状方面也是最难以判定的。
7 总结
红外侦查VR展项已设计完毕进入到实测阶段，目前正在馆内进行内部试运行，在测试阶段暂有如下反馈：1)沉浸效果好，带入感强，相比较实际展项有很大操作乐趣和对展项知识点的掌握比图文版展示效果好；2)在框架调整后，对操作按键不熟悉的体验者在具体提示键的提示下降低了操作阻碍，提高了对展项实际操作的兴趣，提高了完成爆破率；3)仍有待提高展项的图文语音介绍敏感区和互动进入区的展示美观性和进入便捷性，以便体验者对光学知识点的掌握、了解以及更便捷的进出体验。
VR技术现阶段已经作为一个重要手段被应用于“互联网+科普”建设工程中，在国内建设实体VR科技馆、流动VR科技馆以及在线VR科技馆等已势在必行，它既可以使公众能够身临其境地参与互动体验，突破科普的时空局限，又可充分激发公众的创造力和想象力。我馆的《基于云的虚拟互动科技馆及应用示范项目》可作为一个示范性展项向全国推广，提高的科学普及率和受众体验感。
参考文献
[1] 王爽，才华，姜春雨，等.基于光电控制原理展示的互动演示装置设计[J].长春工程学院学报：自然科学版,2018，19(2)：119-121.
[2] 马锐.激光制导武器的发展分析[J].红外与激光工程，2008，37(增刊)：266-270.
[3] 哲想动画.HTC Vive VR头显：我用尽洪荒之力，只为邂逅你[J/OL].[2018-12-10].http://www.anyv.net.
[4] 百度百科.Oculus Rift[Z/OL].[2018-12-10].http://baike.baidu.com/item/Oculus%20Rift/352914?fr=adaddin.
A Study on Interactive Simulation Technology of Virtual Science &Technology Museum Based on Infrared Reconnaissance Exhibition Design
WANG Shuang，et al.
(Changchun China Optical Science &Technology Museum ，Changchun 130017，China )
Abstract： VR (Virtual Reality)technology is developing rapidly at present，and has mature applications in some fields.The combination of VR technology and science popularization and exhibition in science & technology museum can improve the interest of science popularization，the sense of public experience，and the diversification of exhibition forms in science & technology museum.This paper takes the “Infrared Investigation” exhibition inCloud -based Virtual Interactive Science &Technology Museum and Application Demonstration in Changchun China Optical Science & Technology Museum as an example to illustrate how to combine VR technology with science popularization exhibition in science & technology museum.VR technology is as the important approach to implement the “Internet + Science Popularization” construction project，with surreal immersion，natural human-machine interaction and trans-time-and-space creativity as the concept，to build tangible VR science & technology museum，mobile VR science & technology museum，and online VR science & technology museum，etc，which can make the public to participate in an immersive interactive experience，break through the limitation of science popularization，and fully stimulate the creativity and imagination.
Key words： virtual reality；science & technology museum；interactive exhibition；virtual simulation scene
中图分类号： O439
文献标志码： A
文章编号： 1009-8984(2019)01-0124-05
doi: 10.3969/j.issn.1009-8984.2019.01.030
收稿日期： 2019-01-09
基金项目： 吉林省科技发展计划项目重大科技招标专项(20170203005GX)
作者简介： 王爽(1986-)，女(汉)，长春，硕士，助理研究员 主要研究光学仪器科学与技术。
标签：虚拟现实论文; 科技馆论文; 互动展项论文; 虚拟仿真场景论文; 长春中国光学科学技术馆论文; 长春理工大学电子信息工程学院论文;