虛擬洞穴系統：有助行動不便的學生進行考察

由美國國家科學基金會（NSF）提供資金，開啟了一個關於加強地質多樣性可視化的研究計劃，聯合了俄亥俄州超級計算機中心（OSC）和佐治亞州立大學（GSU）的地球科學研究院開發了基於肯德基州的猛獁洞穴模擬可視化場景。這張圖像上顯示了在克里斯托弗艾奇遜博士的帶領下，地質科學專業的學生穿過模擬洞穴系統的情景。在NSF資助下發展的虛擬洞穴系統，初步模擬了猛獁洞國家公園的一部分，這項模擬計劃以幫助那些不能深入洞穴進行考察的地質學專業的大學生。

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位於肯塔基州的猛獁洞國家公園洞內的景觀

猛獁洞國家公園是世界上已知的最長洞穴，超過了392英里（630公里），並存在這個各種旁道洞穴。該洞穴大約形成於數百萬年前，是由水流慢慢侵蝕砂岩層下方的石灰岩底層所形成的。而猛獁洞國家公園成立於1941年，保護了洞內發現的各旁道洞穴系統以及洞內獨特的植物和動物，同時這個洞穴也是天然的對於地質科學專業的大學生而言，深入洞穴考察是件較為不容易的實踐活動。而由計算機模擬開發的洞穴模擬系統在很大程度上滿足了這個需求。

通過計算機模擬3D仿真設計的猛獁洞情景

經過為期兩年的項目研究論證，建立一個模擬的猛獁洞來代替對現場的地質活動的考察，這對患有身體殘疾行動不便的地質專業學生提供了一個較好的模擬場所。據喬治亞州立大學的助理教授克里斯托弗（Christopher L. Atchison）博士，介紹：傳統的地質實驗一般都是在室外完成，而且地質活動代表了各種自然過程在數十億年內的相互作用。但是進行室外地質勘測活動，對身體不便的學生而言具有相當大的風險。這個問題同樣適用於在許多子學科上。

在這個模擬洞穴的創建過程中，除了使用以往研究小組在洞穴內部進行實地考察獲得的結構數據外，研究人員也使用了高精度的激光遙感技術收集相關數據，其被稱為激光雷達，使用激光進行測距和探測。並通過高分辨率的數字攝影進行繪製地質構造，從猛獁洞的實際情況進行模擬重現。並且讓學生在不同的模擬環境下要測試虛擬場景的真實性。

通過這項模擬計劃，不僅可以讓行動不便的學生感覺到置身於地下洞穴，還能達到體驗地質環境的效能，使學生可以更好地在模擬地質環境中了解創造和發展，進行各種體驗考察的活動。來自俄亥俄州超級計算機中心（OSC）的生物應用科學的科學家 Don Stredney介紹，在這種模擬的環境下，也有助於學生根據自己的能力開展地質考察活動，並不用擔心在真實的岩洞環境中可能出現的危險情況，同時也有親臨現場的感覺，可以在一個較為安全的環境中提升創造能力。

製作在早期的計劃研究中使用基本的模擬演示場景，研究團隊使用了3D遊戲的技術處理多邊形的網格模擬，按照網絡映射的程序，將相關材料地圖打到網格上，由另一個研究人員控制著地質探險中使用的前照燈進行模擬探險。同時，研究人員也設計了一個獨立的程序，通過電腦平台進行瀏覽。

這樣，通過對數據庫的調用以及與相關洞穴專家的合作，研究小組所模擬出的虛擬洞穴景像不僅可以顯示洞穴的全貌，還可以切換到不同的岩洞系統的信息，可以對多個洞穴進行場景重現模擬。而且岩溶在經過沉積作用，形成了各種各樣的古怪的外形，是一個被侵蝕的石灰岩區域。因此，對可溶性岩石的模擬，還要表現出其具有的透水性和溶蝕效果。

對此，在俄亥俄州超級計算機中心從事仿真開發，畢業於俄亥俄州立大學計算機科學的托馬斯科爾文（Thomas Kerwin）博士認為：我們匯集了高清的圖像、各種歷年考察的數據以及地理信息系統資源，集成到相應的模塊中。同時，我們還可以加入音頻信號，配合自主式的虛擬洞穴場景導航。這項研究工作顯然是跨學科的，不僅包括了涉及專業知識的建模和仿真學，還要得到來自地質學，特別是溶洞方面的數據支持。

該研究開發計劃得到了猛獁洞國際科學交流中心、美國國家洞穴研究與喀斯特地貌研究院和洞穴研究基金會的合作參與，俄勒岡州立大學先進計算機中心的研究人員則進行圖像繪製和設計。該合作小組希望能證明虛擬技術所引領的巨大潛力，將其推廣到教育領域的研究。


騰訊科技 2011/08/19 Everett

相關連結

• NSF funds research to simulate geoscience field trips: Visualizations will allow students with mobility impairments to explore caves (EurekAlert)
• Christopher L. Atchison's Webpage (Georgia State University )