沙盘也能玩出这么多花样：VR没这么大本事 还得靠AR

文/孙实 VR次元

想象一下这种场景：

一名学生在一个4英尺×3英尺的盒子里使用一把耙子刮沙子，形成了丘陵和山谷。在它的上方，一个微软Ki NEC t摄像头会自动测量与沙子的距离，并在沙盘上投射出等高线和色彩--冷色为洼地，暖色为山峰。

随着这名学生不断把沙子推向山峰的周围，颜色开始发生了变化，形成了绿色与橙色的岛屿，以及蓝色的海洋。当学生把手掌放在山顶上时，虚拟的雨水便会倾盆而下。它们最终穿过山峰，流入了蓝色当中。

借助这款增强现实沙盘，许多庞大、缓慢、复杂的地理学过程能够变得更加明显和有形。

这名学生使用的是一款由LakeViz3D项目专门设计的增强现实沙盘，该项目旨在培育淡水生态系统管理的公众意识。与让用户沉浸在数字生成环境的虚拟现实不同，增强现实把视觉、声音和其它数字效果叠加到真实世界场景当中，让用户能够进行操作。

结果便是这个用于地理科学教育和科学交流的互动工具。地理学的难题之一，是虚拟化发生在更大空间和时间尺度上的进程。不过借助这款名为“塑造我们世界的增强现实沙盘”（Shaping Our Worlds AR Sandbox，以下简称“增强现实沙盘”），许多庞大、缓慢、复杂的地理学过程能够变得更加明显和有形。

什么是增强现实沙盘？

增强现实沙盘结合了探索性学习的力量，让用户使用地理学相关的数字成像来塑造沙堆，并借助自主创造地形模型获得动觉体验。

增强现实沙盘使用了一台计算机投放仪，以及一台安装在沙盘上方的动感追踪设备（如微软的Kinect摄像头）。当用户在沙盘中绘制沙子的图形时，摄像头会测量与下方沙子的距离。一个3D模型的沙面被用于投射等高线和颜色编码的高度图，在沙子表面代表相应的地形。随着用户移动沙子，摄像头会察觉到变化，投射的色彩和等高线也会发生相应的变化。

当摄像头察觉到沙盘表面特定高度的物体（例如手），虚拟的雨水便会出现在物体下方，沙子上的蓝色纹理也将会发生动态的变化。根据运动规律和沙子的形状，虚拟的雨水落到沙子上，再慢慢渗透进土壤。用户也可以选择按下电脑上的某个按钮，虚拟的雨水会迅速排出。

虚拟现实沙盘的原型由加利福尼亚大学戴维斯分校地球科学主动可视化凯克中心（KeckCAVES）开发。该项目最初的灵感来自于捷克研究人员开发的“沙站”（Sandy Station）项目。

依据由多学科国家科学基金会（NSF）资助的LakeViz3D项目，虚拟沙盘原型变身为科学教育的互动公共展览品。科学家、科学教育家、评估员、博物馆专家和媒体开发者携手创造了一个3D系统，帮助公众了解淡水生态系统管理。前4个增强现实沙盘分别设立在LakeViz3D合作伙伴科学中心：Keck CAVES，加州伯克利分校劳伦斯科学馆，内华达州塔霍环境研究中心，以及佛蒙特州尚普兰湖莱希生态、文化、历史和机遇中心 。

增强现实沙盘使用的软件由KeckCAVES开发，使用了开源的增强现实开发工具VRUI。流动可视化则基于圣维南浅水方程，它也是深度整合版的纳维尔-斯托克斯流体流动方程。

积 极 参与和适应地球科学学习

增强现实沙盘最初于2012年从博物馆开始发布，自那时至今，该设备已被全球超过150座大学、研究中心、会议、政府组织和学校所采用。应用范围涵盖各类地球科学主题和学习环境。

无论年龄或背景，人们总是喜欢探索着进行学习。由增强现实沙盘提供的有形的互动和多种类查询，提高了用户参与度。用户最初被鲜艳的色彩和可视化水流所吸引，当他们发现他们的动作不仅能改造沙子形状，还能控制可视化内容时，他们才会真正的上瘾。

在LakeViz3D机构的沙盘中，用户通常可以在沙盘前停留超过20分钟（有时甚至能超过·小时），远多于停留在其他单一陈列品上的时间。此外，用户们还经常合作设定任务，特别是在用沙子堆积特殊地貌的。

教育工作者可以使用增强现实沙盘展示一系列的互动地球科学概念。举例来说，他们能够向学生展示或者鼓励学生构建地表上各种各样的地貌特征，解释这些地貌特征如何通过各种各样的变化产生，如洪水、侵蚀、地质构造和冰河时期等。

美国地质调查局瀑布火山天文台在报告中称，“增强现实沙盘是一款令人着迷的能讲故事的设备。”他们使用沙盘向访问者展示，像在1980年爆发过的索圣海伦斯火山这样的复式火山是如何形成的，以及火山熔岩能够流多远。

教育工作者使用增强现实沙盘，成功的向大学水平的学生传授了有关地支地图、水文学和地形学等知识。在加州大学戴维斯分校，在地质构造学课程的高年级学生前往野外之前，他们会使用增强现实沙盘来构想地下构造。

东卡罗莱纳大学的教师报告称，增强现实沙盘帮助学生在地文地质学实验室解释了等高线和可视化的3D景观，这些在地图中往往被描述成线条，让学生感到无从下手。此外，东卡罗莱纳大学的学生们曾在沙盘上构建模型，预测和探索水是否能够从一个流域自然的从地表上流入到相邻的盆地。

在雷德兰兹大学，地质和自然灾害课的导师们发现，闪盘减少了空间学习的障碍，能够帮助学生培养理解地形及其应用的直觉。

基于上述的积极结果，我们建议增强现实沙盘应当被更广泛的应用于大学的地理学研究中。

增强现实沙盘作为科学传播和研究的工具

除了提高用户参与和学习收获外，科学家还可以通过增强现实闪盘向政策制定者、资助机构和公众展示他们的研究成果。

最近，一款增强现实沙盘就出现在了美国科学促进会的年会上。此外，增强现实沙盘还在吸引了超过30万公众的美国科学与工程节，以及白宫水上峰会上展出。这个特殊的沙盘后来被安装在霍华德大学校区内的数学和科学中学的6年级教室中。

在这些场合，由增强现实沙盘提供的可视化功能成为了强大的宣传和沟通工具，为政治家、合作者、学生和投资者围绕涉及改变局部和全局的系统的大数据，提供了更深层次的交流素材。举例来说，土地管理和规划部门可以在增强现实沙盘中测试环境变化，完成有关的自然灾害规划决策。

事实上，英国纽卡斯尔大学的研究人员正在使用增强现实沙盘学习和交流洪水风险。和风教育基金会的教育工作者们正使用闪盘构建波士顿地形模型，用来探索海平面上升和风暴潮的情景。地球科学的研究者们同样能使用增强现实沙盘把各种各样的地球观测数据投射到3D地形模型上，以更好的可视化和理解空间环境数据的模式如何对地形产生影响。

打造下一代学习沙盘

开发者、科学家和教育工作者们正被邀请进一步提高沙盒的能力，扩展软件模型。创建增强现实沙盘的3D软件为开源软件，沙盘蓝图和协助指南都可在网上免费获取。此外还有一个公共论坛，公众可以在上面提出问题，交流心得。

外媒期待着看到增强现实沙盘应用能够出现许多的创新。我们期待着其他人能够探索沙盘，扩大它在地球科学教育、政策和研究的使用范围。（编译/明轩）