陳志軍， 張 婭, 呂新彪， 陳建國， 謝淑云

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心；b. 固體礦產(chǎn)勘查國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心； c. 資源學(xué)院；d. 地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074 )

·實(shí)驗教學(xué)示范中心建設(shè)·

巖礦石標(biāo)本三維建模技術(shù)及其教學(xué)資源庫建設(shè)

陳志軍a,b,c， 張 婭c, 呂新彪a,b,c， 陳建國c， 謝淑云d

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心；b. 固體礦產(chǎn)勘查國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心； c. 資源學(xué)院；d. 地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074 )

巖礦石標(biāo)本鑒定是地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生的必備地質(zhì)基本技能。中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院擁有豐富的巖礦石教學(xué)標(biāo)本，但相對又是珍稀的，不能滿足越來越多的地球科學(xué)專業(yè)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求。礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心開展了巖礦石標(biāo)本三維模型教學(xué)資源庫建設(shè)工作。介紹了巖礦石標(biāo)本三維模型教學(xué)資源庫建設(shè)意義，研究了巖礦石多視圖圖像三維重建技術(shù)和資源建庫優(yōu)化流程，結(jié)合游戲化積件與課件開發(fā)，建設(shè)了巖礦石標(biāo)本三維模型資源庫。對增強(qiáng)地學(xué)實(shí)習(xí)信息化水平具有重要作用。

巖礦石標(biāo)本; 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心; 教學(xué)資源庫; 多視圖圖像三維重建; 游戲化積件

0 引 言

以移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)教育正加速融合，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”有力地促進(jìn)了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革[1-3]。以MOOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂為代表的新型教學(xué)模式已獲得教學(xué)界的廣泛認(rèn)同，在促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，促進(jìn)教育公平方面意義重大[4-6]。以視頻技術(shù)為亮點(diǎn)的MOOC側(cè)重在理論知識的大規(guī)模在線講授，然而還有大量的實(shí)驗課程目前仍需在實(shí)體實(shí)驗室進(jìn)行實(shí)踐操作，難以通過現(xiàn)有的MOOC技術(shù)來達(dá)成。其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于實(shí)習(xí)者如何獲得身臨其境的感受以及與實(shí)習(xí)對象進(jìn)行三維交互[7]。虛擬仿真技術(shù)將是解決上述難題的理想手段。2013年諾貝爾化學(xué)獎頒給了“把化學(xué)實(shí)驗室搬上網(wǎng)絡(luò)”的3位科學(xué)家，“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗室”正悄然改變著未來科研實(shí)踐的方式，對于高校教學(xué)實(shí)習(xí)具有啟發(fā)意義，特別是在大數(shù)據(jù)時代之際將e-Learning(數(shù)字化學(xué)習(xí))與e-Research(數(shù)字化科研)兩手抓，并且創(chuàng)建兩者互相融合的數(shù)字化科學(xué)實(shí)驗平臺，以及靈活開放的管理體系和創(chuàng)客教育文化。

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)通過各種信息化技術(shù)手段構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗對象，使學(xué)生沉浸在虛擬環(huán)境中進(jìn)行三維交互，自主進(jìn)行實(shí)驗，是一種有利于實(shí)現(xiàn)資源共享、全新開放和高度信息化的教學(xué)模式[8-9]。在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，教育部從2013年起開展了國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心建設(shè)工作[10-11]。三年來在地學(xué)/環(huán)境組中共有35家國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心獲批。2016年9月，高等學(xué)校國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會(簡稱聯(lián)席會)和北京大學(xué)主辦，云南師范大學(xué)協(xié)辦了第四屆聯(lián)席會學(xué)術(shù)交流活動——“ VR技術(shù)特色與教學(xué)資源共享-2016年高等學(xué)校國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心建設(shè)巡回交流會”，并首次進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)資源建設(shè)成果獎評選活動，從152項參評的項目中遴選出80項，頒發(fā)了獲獎證書并給予表彰獎勵[12]。我?！暗V產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心”為首批國家級入選者[13]，“多元化共享的巖礦石三維模型資源庫”在聯(lián)席會2016年昆明舉辦的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)資源建設(shè)成果獎評選活動中獲得二等獎。

1 三維模型教學(xué)資源庫建設(shè)意義

1.1 巖礦石標(biāo)本特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

巖石標(biāo)本、礦石標(biāo)本(簡稱巖礦石標(biāo)本)是地質(zhì)工作過程采集的具有代表性、典型性和特殊性的實(shí)物地質(zhì)樣本，它保持了實(shí)物原樣或原生狀態(tài)。巖礦石標(biāo)本具有空間位置的唯一性，要獲得典型的標(biāo)本需要付出艱辛的地質(zhì)工作，特別是在礦區(qū)采集的標(biāo)本，更具有珍稀性。因為隨著礦山的挖掘開采，原來采集標(biāo)本的地質(zhì)體、礦床體可能不復(fù)存在，要對原來的礦床開展研究或者教學(xué)，就必須借助于早先采集的標(biāo)本資料。

我校資源學(xué)院在幾十年的教學(xué)實(shí)踐中，依靠全體師生的辛勤努力，積累了豐富的礦床地質(zhì)標(biāo)本。2012年資源學(xué)院資源系再次集中全系教師力量，有組織地采集了涉及礦床成礦地質(zhì)背景、礦床地質(zhì)特征、成礦作用和找礦地質(zhì)標(biāo)志等各方面的典型實(shí)物地質(zhì)標(biāo)本。一個相同的地質(zhì)標(biāo)本要采集15套以便分組教學(xué)。資源學(xué)院的巖礦石標(biāo)本及其相關(guān)礦床學(xué)資料無論是在種類、數(shù)量、質(zhì)量上還是在管理上，形成了自己的特色，在資源勘查工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮著重要作用。

巖礦石標(biāo)本鑒定是地質(zhì)教學(xué)中極其重要的一環(huán)，是地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生的必備地質(zhì)基本技能。在實(shí)體教室中開展常規(guī)的教學(xué)實(shí)習(xí)活動，礦床學(xué)實(shí)習(xí)標(biāo)本資源依然面臨“供需”矛盾困境。一是隨著教學(xué)改革的發(fā)展，一些院系也要求增開“礦床學(xué)”等重要課程，同一實(shí)習(xí)同一時間能提供的標(biāo)本套數(shù)僅有數(shù)十套，無法滿足多個班級同時實(shí)習(xí)的需求。二是標(biāo)本室原有物理場地有限，新增更多套的標(biāo)本資源需要占用更多的實(shí)習(xí)空間，巖礦手標(biāo)本及光片只能在實(shí)驗室才能觀察，而通常實(shí)驗設(shè)備數(shù)量有限、實(shí)習(xí)時間有限；三是標(biāo)本室的標(biāo)本就像圖書館中的書籍一樣有著嚴(yán)格的分類，且存在磨損、老化甚至風(fēng)化，需要專人管理與保護(hù)，標(biāo)本室的開放時間還無法做到24 h開放?？傮w而言，巖礦石相關(guān)實(shí)習(xí)的信息化水平比較低。巖礦石教學(xué)標(biāo)本是一種珍稀的教學(xué)資源，如何在管理和保護(hù)好標(biāo)本資源的同時，最大限度地服務(wù)于教學(xué)、分享給熱愛地球科學(xué)的人們，被列入我校虛擬仿真中心成立以來重要工作之一。在虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，將我校優(yōu)秀豐富的地質(zhì)教學(xué)標(biāo)本低成本、快速高效地三維數(shù)字化、建設(shè)高質(zhì)量的教學(xué)資源庫及共享應(yīng)用顯得越發(fā)重要。

1.2 巖礦石標(biāo)本數(shù)字化的趨勢

巖礦石標(biāo)本數(shù)字化是將地質(zhì)工作中形成的巖石標(biāo)本、礦石標(biāo)本實(shí)體，通過儀器掃描、數(shù)碼照相等方法，轉(zhuǎn)化成計算機(jī)可存儲處理的文字、圖像、三維仿真模型等信息，對信息進(jìn)行處理，以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲，利用輸出設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行信息展示的過程[14]。與實(shí)物標(biāo)本相比，數(shù)字化標(biāo)本在資源共享、信息傳輸、信息重組等方面具有不可比擬的優(yōu)勢，可以提高標(biāo)本利用效率。2003年以來，我國積極整合國內(nèi)收藏的具有科學(xué)價值的巖石、礦石、化石標(biāo)本資源，由中國地質(zhì)大學(xué)(北京)牽頭，聯(lián)合中國地質(zhì)博物館、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)在內(nèi)的7家國家級巖礦化石標(biāo)本資源保存單位歷經(jīng)數(shù)十年共同完成了國家?guī)r礦化石標(biāo)本資源共享平臺[15]。2015年中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布了實(shí)物地質(zhì)資料數(shù)字化工作指南(試用稿)，與國家?guī)r礦化石標(biāo)本資源共享平臺眾礦化石標(biāo)本資源的數(shù)字化方式相同，均以傳統(tǒng)的圖像采集為主，對三維標(biāo)本模型制作沒有提出具體的操作規(guī)范。

巖礦石標(biāo)本數(shù)字化向三維可視化方向發(fā)展是大勢所趨。從信息傳播交流來講，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，承載信息的載體不再僅限于文字、圖形圖像、聲音、動畫和視頻，三維模型成為更具傳播力的新媒介。圖像技術(shù)、視頻技術(shù)已經(jīng)成為常規(guī)的表現(xiàn)形式，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)正成為新寵，已經(jīng)在游戲娛樂、工業(yè)仿真、教育培訓(xùn)等在多個行業(yè)引爆人們的熱情，2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的元年”。雖然目前虛擬行業(yè)還處在起步階段，但其發(fā)展迅猛。例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)寵物養(yǎng)成對戰(zhàn)類RPG手游“精靈寶可夢GO”風(fēng)靡全球，里約奧運(yùn)大會落幕時“東京8 min”二次元AR黑科技讓人眼前一亮，預(yù)示著身臨其境的觀賽體驗不再遙遠(yuǎn)。再如，2016年8月中國光谷VR/AR產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在武漢成立，我校積極參與了該聯(lián)盟的活動。本文對巖礦石三維重建技術(shù)開展了深入研究，探索了一套高保真、高效率的三維建模技術(shù)流程，建立了一套高質(zhì)量的三維模型教學(xué)資源庫，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了虛擬仿真實(shí)習(xí)環(huán)境支持下的礦產(chǎn)勘查及其相關(guān)專業(yè)實(shí)習(xí)課程的、游戲化教學(xué)資源。VR和AR這兩種技術(shù)各自獨(dú)立但又緊密關(guān)聯(lián)，有著顯著影響在線教育傳遞和內(nèi)容的潛力。優(yōu)質(zhì)內(nèi)容的匱乏是當(dāng)前VR行業(yè)的隱痛，需要用更好的形式去講故事。三維標(biāo)本模型相比二維圖像而言更直觀、更全面、更真實(shí)，也是解決實(shí)體標(biāo)本老化磨損問題的最佳數(shù)字化存儲方案，在三維模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)VR/AR虛擬仿真實(shí)習(xí)環(huán)境更是一個富有挑戰(zhàn)性的、多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。

2 巖礦石手標(biāo)本三維建模思路與技術(shù)

2.1 三維建模技術(shù)優(yōu)選

科研人員對三維地質(zhì)建模工作主要側(cè)重對礦體、礦區(qū)或成礦區(qū)帶等大范圍地質(zhì)體的幾何與屬性建模，對手標(biāo)本規(guī)模(幾cm)的地質(zhì)現(xiàn)象的三維建模很少涉及。本文探討的巖礦石標(biāo)本特指手標(biāo)本規(guī)模的標(biāo)本，這是礦床學(xué)實(shí)驗室最主要的標(biāo)本類型。在進(jìn)行三維建模時，首先需要弄清著重關(guān)注的是地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是表面特征。從教學(xué)實(shí)用角度出發(fā)，巖礦石手標(biāo)本重點(diǎn)關(guān)注表面特征，也即其表面紋理貼圖的高保真視覺效果，對其大小與形狀則可以放寬精度要求。

巖礦手標(biāo)本雖然尺寸不大，但生動反映了自然形成的典型地質(zhì)現(xiàn)象，三維模型的紋理貼圖是否具有真實(shí)感是衡量模型質(zhì)量的最重要指標(biāo)，不同標(biāo)本紋理各異，同一標(biāo)本不同位置與方位其紋理也各異，因此建模對紋理要求很高。利用Maya、3Ds Max等常規(guī)的基于幾何建模工具，貼圖過程通常復(fù)雜而效率低下。利用激光測距的原理發(fā)展起來的三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，可分為機(jī)載、車載、地面和手持型幾類，通過記錄被測物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖形數(shù)據(jù)[16-18]。但是，三維激光掃描儀器價格昂貴，難以廉價地應(yīng)用到數(shù)量眾多的手標(biāo)本三維建模中，紋理的精細(xì)程度受儀器內(nèi)置相機(jī)的制約[19-20]。計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)視覺方面的研究人員近年來對從二維圖像中恢復(fù)場景及場景中對象的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了大量研究，提出了多視圖圖像三維重建技術(shù)。它是通過攝像機(jī)在不同角度對某個場景及對象進(jìn)行拍攝，然后利用拍攝到的多視圖圖像序列來對觀察對象進(jìn)行三維重建。圖像中包含了大量的視覺信息，如輪廓、亮度、明暗度、紋理、特征點(diǎn)等，三維重建就是利用上述信息，結(jié)合攝像機(jī)鏡頭與環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行光學(xué)投影變換的逆向變換運(yùn)算，即逆向工程，由此恢復(fù)出場景或場景中對象的三維幾何模型[21-22]。此方法成本低，操作簡單，對各種復(fù)雜場景的三維建模，無論中大尺度、還是小尺度對象均可應(yīng)用，在三維真實(shí)感建模及實(shí)時大規(guī)模復(fù)雜場景三維建模中有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。對多種技術(shù)及性能綜合對比的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為基于多視圖圖像的三維重建技術(shù)能較好滿足巖礦標(biāo)本三維建模需求，具有經(jīng)濟(jì)、快速、簡便、逼真的優(yōu)點(diǎn)，是眾多技術(shù)中的最佳選擇。

2.2 巖礦石三維建模流程簡介

2.2.1軟硬件環(huán)境構(gòu)建

多視圖圖像三維重建過程大致可分為獲得圖像、標(biāo)定攝像機(jī)、提取特征、立體匹配、模型重建等步驟。在巖礦石標(biāo)本低成本、高質(zhì)量、高效率建模的指導(dǎo)原則下，對多視圖圖像三維重建軟件性能充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，我校虛擬仿真中心引進(jìn)了Agisoft PhotoScan軟件，并配置了佳能550D、尼康D610相機(jī)以及兩臺HP Z820工作站、標(biāo)本攝影柔光箱、電動轉(zhuǎn)盤等設(shè)備，組成了一套完整的巖礦石手標(biāo)本三維建模軟硬件系統(tǒng)。以礦床學(xué)的巖礦石標(biāo)本為對象，開展了系統(tǒng)的、大規(guī)模的巖礦標(biāo)本三維建模工作。

2.2.2圖像數(shù)據(jù)采集

高質(zhì)量地獲取礦石標(biāo)本的圖像序列是標(biāo)本三維建模的重要保障。決定照片質(zhì)量的幾個關(guān)鍵參數(shù)有：分辨率、景深大小、曝光強(qiáng)度等。在拍攝工作中，推薦使用：盡可能大的分辨率存儲圖像；使用較低的ISO設(shè)置以盡可能減少噪點(diǎn)，采用小光圈(也即較大的F值)獲得大景深的圖像；曝光強(qiáng)度不能太大也不能太小，以能使照片自然呈現(xiàn)巖礦石原本色澤的強(qiáng)度為佳。要獲得高質(zhì)量照片，還需要注意拍攝環(huán)境布置。在工作中，我們使用柔光箱來獲得漫反射的拍攝環(huán)境。三維重建需要一系列圖像，照片數(shù)量和拍攝位置也是重要的影響因素，通常需要圍繞標(biāo)本一周均勻地拍攝，每張照片之間一般有60%～80%左右的重疊率是合適的，照片環(huán)繞標(biāo)本一周拍攝張數(shù)通常達(dá)到25張。為了消除標(biāo)本底面的桌面，還需要將標(biāo)本底面再次拍攝一周，共計50張照片進(jìn)行一個巖礦石標(biāo)本的三維重建。

大規(guī)模巖礦石標(biāo)本三維重建還需要高效率的進(jìn)行圖像序列采集。如果拍攝時圍繞標(biāo)本轉(zhuǎn)或者手工轉(zhuǎn)動標(biāo)本都將降低工作效率，為此，購置了25 r/min直徑30 cm勻速電動旋轉(zhuǎn)臺來實(shí)現(xiàn)標(biāo)本的自動旋轉(zhuǎn)，配合照相機(jī)間隔定時自動拍攝功能完成圖像序列快速采集。

2.2.3應(yīng)用軟件進(jìn)行三維重建

多視圖圖像三維重建方法的日益成熟，催生了一些相對成熟的軟件產(chǎn)品的出現(xiàn)，例如AgiSoft PhotoScan、Autodesk 123D Catch、Acute3D ContextCapture等。PhotoScan(http://www.agisoft.com/)是俄羅斯AgiSoft公司研發(fā)的一款基于多視圖圖像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，最早于2010年5月發(fā)布，近年來在三維建模應(yīng)用領(lǐng)域受到關(guān)注，一些新算法的結(jié)果通常與它的結(jié)果進(jìn)行效果對比[23]。由于涉及到大量圖像的復(fù)雜計算過程，通常在高性能計算機(jī)上完成計算，PhotoScan支持GPU計算和網(wǎng)絡(luò)并行計算。PhotoScan三維模型重建主要有對齊照片、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理四大步驟，還可以將模型分成若干部分分別建模，通過對齊堆塊、合并堆塊功能合成構(gòu)建完整模型。對每個步驟中的模型參數(shù)選項對建模效果的影響進(jìn)行了探究，總結(jié)獲得了適合巖礦石標(biāo)本的最優(yōu)化模型參數(shù)，并編制了Python腳本程序在高性能計算機(jī)上批量處理，大大解放了人力。一個標(biāo)本的三維自動重建約需0.5 h(照片數(shù)量越多耗時越長)，通過人工干預(yù)可以得到更高質(zhì)量的模型?；诙嘁晥D圖像技術(shù)重建的巖礦石標(biāo)本三維自動建模要保證成功率，一方面需要提高照片拍攝質(zhì)量，另一方面需要了解軟件建模參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置。當(dāng)自動建模的模型有缺陷時，可借助三維編輯軟件來修補(bǔ)模型、完善模型。圖1所示展示了PhotoScan制作的若干個典型礦床巖礦石手標(biāo)本的三維模型。與實(shí)物標(biāo)本相比，虛擬標(biāo)本的保真度很高，可以任意旋轉(zhuǎn)縮放平移，視覺體驗優(yōu)良。

3 教學(xué)資源庫建設(shè)

3.1 教學(xué)資源建模及建庫流程

Sketchfab(https://sketchfab.com/)、撈3D(http://www.lao3d.com/)、Wish3D(http://www.wish 3d.com/)等國內(nèi)外知名網(wǎng)站提供了云托管服務(wù)能夠快速對3D內(nèi)容進(jìn)行分享展示，但是對于專業(yè)性較強(qiáng)的巖礦石標(biāo)本來說，僅有標(biāo)本自身的照片、三維模型對于開展完整的實(shí)習(xí)而言是不充分的，還需要收集背景地質(zhì)資料、鑒定報告等更多相關(guān)資源內(nèi)容，從而建立完整的標(biāo)本資源信息庫。利用三維模型，可以進(jìn)一步開發(fā)出虛擬實(shí)習(xí)項目、甚至是基于游戲?qū)W習(xí)的VR/AR內(nèi)容，從而構(gòu)建內(nèi)容完整、功能完善的虛擬仿真實(shí)習(xí)環(huán)境。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(a) 花斑狀磁鐵礦礦石(湖北大冶鐵山鐵銅鐵床),(b) 條帶狀矽卡巖化灰?guī)r(湖北大冶鐵山鐵銅鐵床),(c) 塊狀黃銅礦(湖北銅綠山銅鐵礦床),(d) 豆?fàn)钽t鐵礦(新疆羅布莎鉻鐵礦礦床),(e) 脆硫銻鉛礦礦石(廣西大廠錫多金屬礦床),(f) 黑鎢礦礦石(湖南瑤崗仙鎢多金屬礦床)

圖1 基于PhotoScan軟件創(chuàng)建的巖礦石手標(biāo)本三維模型

圖2所示總結(jié)展示了巖礦石三維標(biāo)本建模及其教學(xué)資源庫建設(shè)的優(yōu)化流程，以及推薦使用的技術(shù)?？傮w上可概況為兩大步驟：標(biāo)本建模、資源建庫。這里的資源建庫是全方位教學(xué)內(nèi)容的資源建庫，不僅僅包括三維模型資源，還包括了與之相關(guān)的標(biāo)本照片、顯微鏡下觀察的照片，以及所在礦床的相關(guān)地質(zhì)報告、地質(zhì)圖件、巖礦鑒定報告、各類測試分析報告等，這樣能利用三維模型及其相關(guān)資料開發(fā)出綜合性地實(shí)習(xí)項目。其中Markdown技術(shù)可以簡便直觀地制作網(wǎng)頁文檔，Unity技術(shù)可以強(qiáng)勁高效地進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)。高質(zhì)量的巖礦石標(biāo)本的三維模型構(gòu)建是資源庫建設(shè)的基礎(chǔ)。我校虛擬仿真中心已經(jīng)相對完整地建立了40多個典型礦床300多個巖礦石標(biāo)本的三維模型。特別需要指出的是，三維模型與常規(guī)的視頻資源、靜態(tài)圖像在教學(xué)設(shè)計中顯著不同在于三維模型可以自由交互。如何降低老師們應(yīng)用三維模型的難度以及充分利用三維交互的特點(diǎn)，是模型資源開發(fā)與推廣中的難點(diǎn)。本文在資源建庫中提出了應(yīng)用“積件”的教學(xué)理念。

圖2 巖礦石三維模型建模與資源建庫優(yōu)化流程

3.2 游戲化積件開發(fā)

“積件”是由上海師范大學(xué)黎加厚教授提出來的一種全新的教學(xué)理念和方法[24-26]。積件具有最小化、可積性、共享性和可重復(fù)性，能適應(yīng)教材、教學(xué)對象和教學(xué)環(huán)境的更新變化，真正做到“以不變(積件)應(yīng)萬變(教學(xué)實(shí)際)”，有利于學(xué)科教師有針對性地靈活應(yīng)用于課堂教學(xué)中，從不同角度、不同順序展示問題的內(nèi)在聯(lián)系，能更方便地“教”與“學(xué)”。積件的內(nèi)核主要體現(xiàn)在積件的基元性與可積性，在積件設(shè)計中加入趣味性、可玩性元素，就形成了本文提倡的游戲化積件。本文對三維模型資源及其相關(guān)圖像視頻等多媒體資源、地質(zhì)資料、地質(zhì)問題有機(jī)集成，創(chuàng)建具有交互性、趣味性的游戲化積件，例如，對同一礦種不同成因礦石特征的鑒別，對某個地質(zhì)問題的自動測驗等。

游戲化積件的開發(fā)可以利用當(dāng)前最受熱捧的Unity游戲引擎來實(shí)現(xiàn)。Unity在中國手游市場占有率高達(dá)75%，在游戲引擎市場高居全球第一。Unity Technologies公司GDC 2015游戲開發(fā)者大會上正式宣布Unity 5引擎?zhèn)€人版免費(fèi)，為愛好者、獨(dú)立開發(fā)者和剛起步的工作室開放了整個Unity引擎和編輯器功能[27]。Unity不僅僅是強(qiáng)大的游戲引擎，而且是取代Flash的利器。在教學(xué)領(lǐng)域，大量的Flash教學(xué)動畫隨著Flash被HTML5標(biāo)準(zhǔn)取代而面臨“退役”，F(xiàn)lash課件風(fēng)光不再難以為繼，而應(yīng)用Unity技術(shù)，不僅可以將動畫做得更精致，而且可以一鍵部署到多個平臺，如iOS和Android手機(jī)端、PC端、HTML 5網(wǎng)頁端，以及可以做各種VR/AR項目。許多科技巨頭已經(jīng)積極布局虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。2014 年Facebook 以20 億美元收購Oculus，隨后推出了虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式眼鏡Oculus Rift，除此還有索尼PlayStation VR、HTC Vive、谷歌Cardboard等，這顯示出了各大巨頭爭搶物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)市場商機(jī)的決心。Unity開發(fā)技術(shù)門檻低、效率高，資源商店插件豐富，而且與主流虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備有SDK API接口，可以快速高效地開發(fā)VR/AR游戲化積件?；赨nity技術(shù)結(jié)合相關(guān)教學(xué)中的知識點(diǎn)進(jìn)行積件教學(xué)資源建設(shè)，并形成易用的積件庫，可以降低教師三維素材課件的開發(fā)難度，教師根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行靈活組合，豐富教學(xué)內(nèi)容表現(xiàn)形式，體現(xiàn)課堂人性化教學(xué)設(shè)計。同時，可以發(fā)布成Unity資源商店的插件進(jìn)行共享，促進(jìn)重用開發(fā)。

3.3 虛擬課件開發(fā)

三維標(biāo)本資源庫建設(shè)的最終目的要挖掘標(biāo)本資源在資源勘查工程相關(guān)專業(yè)的虛擬實(shí)驗教學(xué)方面中的開發(fā)與利用。我們提倡基于三維標(biāo)本資源庫開展多用途、多元化的虛擬學(xué)習(xí)或?qū)嵙?xí)課件開發(fā)。在以下兩大應(yīng)用情景中加強(qiáng)開發(fā)與應(yīng)用。

(1) 與礦床學(xué)、礦石學(xué)傳統(tǒng)的多媒體課件相結(jié)合，加入巖礦石三維交互模型及游戲化積件，增強(qiáng)現(xiàn)場感，提高真實(shí)性及趣味性。傳統(tǒng)理論授課中，將巖礦石標(biāo)本等實(shí)物資料帶入教學(xué)課堂展示一直是理論授課中的弱項，實(shí)際上，三維模型可以發(fā)布為3D PDF格式，在幻燈片軟件中置入文件鏈接，打開Adobe Reader閱讀器軟件即可展示，并可進(jìn)行放大縮小旋轉(zhuǎn)等基本瀏覽操作，而無需另行安裝三維軟件，對于一般多媒體教室都可滿足。三維模型可以和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)結(jié)合，建立典型礦床與標(biāo)本信息可視化索引地圖，基于空間位置或?qū)傩孕畔頇z索、瀏覽云環(huán)境中的三維模型及礦床地質(zhì)資料。三維模型進(jìn)一步制作成積件，可以在標(biāo)本的地質(zhì)特征講解環(huán)節(jié)給予更多的輔助教學(xué)功能。老師們在教學(xué)中可以充分利用這些三維模型與積件，嵌入到各類教學(xué)場景中，在教學(xué)中發(fā)揮更多創(chuàng)意。總之，在理論授課中，將實(shí)驗室資源真實(shí)有趣地“搬到”教學(xué)課堂中是非常有意義的。

(2) 以巖礦石三維交互模型為特色教學(xué)資源，整合礦產(chǎn)地質(zhì)報告、圖件、照片、視頻等多來源實(shí)習(xí)資料，改造舊有的實(shí)習(xí)課程資源，開發(fā)不同類型、不同地區(qū)典型礦床的礦床學(xué)、礦石學(xué)虛擬實(shí)習(xí)項目。已經(jīng)對我?！暗V床學(xué)實(shí)習(xí)”中的每個典型礦床案例都關(guān)聯(lián)了三維模型，并發(fā)布到由潤尼爾支持開發(fā)的虛擬仿真實(shí)習(xí)管理平臺上，提供學(xué)生開展在線虛擬仿真實(shí)驗。進(jìn)一步地，還在大冶野外實(shí)踐教學(xué)實(shí)習(xí)基地開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)習(xí)項目研發(fā)，利用無人機(jī)技術(shù)及三維建模技術(shù)構(gòu)建野外觀察虛擬場景、地質(zhì)觀察點(diǎn)的巖礦石標(biāo)本三維模型，利用專業(yè)儀器獲得光片、薄片標(biāo)本的顯微照片，以及測量地質(zhì)體及巖礦石手標(biāo)本的地球物理、地球化學(xué)數(shù)據(jù)，最后利用Unity游戲引擎整合各類資源并開展游戲化教學(xué)設(shè)計，開發(fā)野外觀察與室內(nèi)觀察一體化、沉浸式的虛擬實(shí)習(xí)項目，這一工作已取得了階段性的成果。

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心應(yīng)該在上述兩大方面為一線教師提供多層次、多元化的虛擬仿真資源支持，可以是一個逼真的三維模型，也可以是一個有趣的游戲化積件，還可以是完整的實(shí)習(xí)課件，讓更多的教師靈活多樣地應(yīng)用這些資源開展個性化、人性化地教學(xué)，在教學(xué)實(shí)踐中不斷改進(jìn)資源質(zhì)量。圖3所示展示了基于Google Earth GIS技術(shù)來進(jìn)行三維模型及礦床地質(zhì)資料的建庫集成的效果。我?！暗V床學(xué)”實(shí)習(xí)涉及的典型礦床空間分布可以在Google Earth 環(huán)境下疊置遙感影像、地形地物等地理信息從而顯得更加直觀形象，可以快速檢索某個礦床，例如湖北大冶鐵山鐵銅礦床，并探查礦床學(xué)標(biāo)本三維模型。隨著以Unity為VR/AR核心軟件技術(shù)的深化，應(yīng)加大力度、加快速度建設(shè)高質(zhì)量的三維資源，從而開發(fā)出高層次、專業(yè)性強(qiáng)的實(shí)習(xí)課程，使得任何人任何時間任何地點(diǎn)自帶設(shè)備就能在線享受專業(yè)的、高仿真的實(shí)習(xí)課程。不僅為本校專業(yè)學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的在線虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境，也為兄弟院校學(xué)生提供遠(yuǎn)程虛擬實(shí)習(xí)服務(wù)，還為地質(zhì)行業(yè)工作者提供全方位的地質(zhì)技能培訓(xùn)。

圖3 Google Earth環(huán)境下礦床學(xué)實(shí)習(xí)典型礦床位置及相關(guān)礦床標(biāo)本的三維模型

4 結(jié) 語

教育是個復(fù)雜的過程，特別是對理工科課程而言，除了理論知識的學(xué)習(xí)外，更多的依靠實(shí)際應(yīng)用與實(shí)驗完成。巖礦石標(biāo)本鑒定是地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生的必備地質(zhì)基本技能，要滿足更多專業(yè)、更多學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，需要將總量豐富但相對珍稀的巖礦石標(biāo)本觀察從實(shí)體實(shí)驗室“真實(shí)地搬到”移動互聯(lián)網(wǎng)上。所提出的基于多視圖圖像技術(shù)對于巖礦石標(biāo)本三維建模工作是目前最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的方案，模型有著較高的成功率，通過結(jié)合三維編輯軟件，可以獲得高質(zhì)量的模型，為虛擬仿真教學(xué)快速積累三維內(nèi)容，對專業(yè)課程教育質(zhì)量提升和實(shí)驗教學(xué)資源共享的深化將產(chǎn)生積極影響。特別需要注意把多來源的地質(zhì)資料與三維模型有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步開發(fā)游戲化積件等更加易于使用、生動有趣的教學(xué)資源，構(gòu)建豐富有趣的教學(xué)資源庫，并利用在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)或?qū)嵙?xí)管理系統(tǒng)有效組織起來，建設(shè)靈活開放的管理體系和營造創(chuàng)客教育文化。另外,還應(yīng)同時加強(qiáng)一線教師在3D內(nèi)容制作與表達(dá)方面的基本技能，能像應(yīng)用圖像、視頻一樣熟練地操作，靈活應(yīng)用三維模型及積件，面向未來開發(fā)出更具吸引力的課件開展輔助教學(xué)、創(chuàng)意教學(xué)。本文所提出的多視圖三維建模技術(shù)及教學(xué)資源庫建設(shè)思路，對兄弟院校的虛擬仿真工作也具有一定示范意義。

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3DModellingTechniqueandConstructionoftheTeachingResourcesWarehouseofMineralRockSpecimens

CHENZhijuna,b,c,ZHANGYac,LüXinbiaoa,b,c,CHENJianguoc,XIEShuyund

(a. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Mineral Formation, Exploration and Development; b. National Demonstration Center for Experimental Mineral Exploration Education; c. Faculty of Earth Resources; d. Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China)

Identification of mineral rock specimens is essential skill for the geological student. The abundant teaching specimens of minerals, rocks and ores are saved at China University of Geosciences (Wuhan), however, they are also relatively rare, and cannot meet the learning needs for the more and more students from a wide range of geoscience subjects. The teaching resource warehouse construction work of the mineral rock specimen 3D models is carried out by the Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Mineral Formation, Exploration and Development. The significance of the teaching resource warehouse is introduced firstly. The techniques of the multi-view image 3D reconstruction and the optimal procedure of the resource warehouse are discussed. We build the teaching resource warehouse of the mineral rock specimens 3D models combined with the developments of the gamification integrable wares and courseware. This work will improve the level of informatization of geoscience practice.

mineral rock specimens, virtual simulation experimental teaching center; teaching resource warehouse; multi-view image 3D reconstruction; gamification integrable ware

TP391.9; G482; G642

A

1006-7167(2017)11-0140-06

2016-10-20

國家自然科學(xué)基金項目(41272361)；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFC0600508)；湖北省教學(xué)項目(2014133)；中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)校設(shè)備專項

陳志軍(1978-)，男，江蘇常熟人，博士，副教授，礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心副主任、固體礦產(chǎn)勘查國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心副主任，主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)與地學(xué)信息方向的教學(xué)與研究。Tel.: 18162529692; E-mail: zhijun.chen@cug.edu.cn