祁威 李娜 梁丹妮 张俊
（中国科学院计算技术研究所，北京，100190）
摘要：本文引证现代科技博物馆的重要作用与地位，展望未来科技博物馆的发展方向。结合中国科学技术馆新馆建设中展项的设计、制作，浅析高新数字技术在公共科普领域的应用及前景，并指出高新数字技术对未来科技博物馆展项的重要支撑作用。
关键词：现代科技博物馆增强现实数字特种电影三维数字化
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，建设创新型的科技馆已势在必行。
二、未来科技博物馆的发展方向
1.现代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，人们在享受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。”面对大力提高公众科技素养这一世界各国共同关切的重大课题，现代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。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：现代科技博物馆既是科技发展和知识经济时代的产物，它作用于国家、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.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。世界各地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工业技术博物馆。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。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那里了解科技。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想。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。这些第三代科技博物馆，在其展示手段上以动态技术取代了静态陈列方式。
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、高新数字技术支撑下的科技博物馆
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高新数字技术在科普展品中的应用实例来进行阐述。
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，如今面临着来自国外游戏、影视特效大片等在画面质量、视觉冲击以及真实感水平快速增长而带来的巨大冲击。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。
2.增强现实在展项中的应用
增强现实(Augmented Reality)技术将计算机生成的虚拟对象与真实世界进行融合，构造出虚实结合的虚拟空间。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。
中国科学院计算技术研究所设计并制作的展项《干细胞复活记》、《帮他站起来》利用计算机三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者借助于专用的视、听、触觉等感知设备便可以进入培养皿、羊水的虚拟空间，观看在身边的细胞的分裂、繁殖、发育过程；或是进入人类大脑神经中枢系统的虚拟空间，与虚拟环境中的神经细胞等进行实时交互、感知和操作，从而对生物知识获得身临其境的感受和体会。
中国科学院计算技术研究所设计并制作的展项《神秘之窟》同样是虚拟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，包括敦煌彩塑、壁画及建筑等人文艺术。
由于它基于多项自主研发的高新技术，包括国家973项目、国家“九五”重点科技攻关项目、国家发改委项目等诸多最新技术成果，它实现了人们在洞窟内随意漫游、空中指点的非接触式互动方式。并且《神秘之窟》使人们体验到视觉、听觉、力觉、触觉、运动等多重感知；作为洞窟中漫游的主角，体验到真假难辨的立体浸没感；对虚拟动物中的物件进行操作和反馈的交互过程以及广阔的构想空间。
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。如中国科学院计算技术研究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。
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，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。
中国科学院计算技术研究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。
四、展望
高新数字技术支撑下的科技博物馆，将成为第四代科技博物馆。
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新数字技术支高新数字技术支撑下的创新型科技博物馆
祁威、李娜、梁丹妮、张俊
(中国科学院计算技术研究所，北京，100190)