大型科研設(shè)施的數(shù)字化和信息傳承與保護(hù)的研究

趙正旭 張濤 宋立強(qiáng) 李東年 王威 孫才紅

摘 ?要： 介紹了以美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡為例的大型科研設(shè)施的信息傳承與保護(hù)的困境。為了傳承和保護(hù)我國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）設(shè)施的信息，在研究數(shù)字化技術(shù)對(duì)信息傳承與保護(hù)作用的基礎(chǔ)上，提出一種利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)FAST信息傳承與保護(hù)的方案。通過(guò)創(chuàng)建FAST的三維模型、對(duì)模型分類(lèi)編碼并利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行展示，可以有效的傳承和保護(hù)FAST信息，為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護(hù)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞： 500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）; 傳承與保護(hù); 數(shù)字化; 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2019）10-36-04

Abstract： This paper introduces the dilemma of information inheritance and protection of large scientific research facilities by taking the Arecibo Telescope in the United States as an example. In order to inherit and protect the information of China's Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope （FAST） facility， a scheme of using digital technology to inherit and protect FAST information is proposed on the basis of studying the role of digital technology in information inheritance and protection. By creating a three-dimensional model of FAST， classifying and coding the model and displaying it with virtual reality technology， the information of FAST can be effectively inherited and protected， which provides a reference for the inheritance and protection of large scientific research facilities.

Key words： Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope（FAST）; inheritance and protection; ?digitization; virtual reality

0 引言

大型科研設(shè)施作為研究前端科學(xué)的重要工具，對(duì)促進(jìn)科技發(fā)展發(fā)揮著重要作用。以美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡為例，曾在天文學(xué)研究方面做出巨大貢獻(xiàn)，然而面對(duì)自然的侵蝕以及高昂的維修費(fèi)用，阿雷西博已銹跡斑斑，面臨被關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。2016年我國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）接力阿雷西博成為世界上第一大望遠(yuǎn)鏡，如何對(duì)FAST設(shè)施信息進(jìn)行傳承與保護(hù)，避免遭遇阿雷西博的困境，是亟待解決的問(wèn)題。當(dāng)下信息技術(shù)的飛速發(fā)展，豐富的數(shù)字化技術(shù)為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護(hù)帶來(lái)新契機(jī)。

1 大型科研設(shè)施狀況及困境分析

1.1 阿雷西博望遠(yuǎn)鏡概況

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，位于美國(guó)波多黎各天然的喀斯特洼地中，口徑為305米，后擴(kuò)建為350米，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）與中佛羅里達(dá)大學(xué)（UCF）及其合作伙伴共同運(yùn)營(yíng)[1]。從1963年建成，到2016年7月中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）建成前的50多年間里，阿雷西博一直是世界上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡[2]。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡在太陽(yáng)系天體研究、脈沖星等方面成績(jī)卓著。最激動(dòng)人心的觀測(cè)成果是，1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)雙星脈沖星PSRB1913+16，其研究成果證實(shí)了引力波的存在，這一成就使他們后來(lái)獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[3];1990年，波蘭天文學(xué)家Aleksander Wolszczan發(fā)現(xiàn)了脈沖星PSRB1257+12，隨后發(fā)現(xiàn)了它的三顆軌道行星，又一次轟動(dòng)了科學(xué)界，這是人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外的行星系統(tǒng)[4]。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是著名的不可思議的建筑物之一，它于2008年被列入美國(guó)國(guó)家歷史遺跡名錄，并且因其壯觀的外形受到諸多影視作品的青睞。風(fēng)靡全球的詹姆斯·邦德電影《007之黃金眼》與好萊塢電影《超時(shí)空接觸》都曾在這里取景拍攝[5]。

1.2 阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的困境

近年來(lái)，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡幾經(jīng)易主，一直飽受資金問(wèn)題的困擾。從20世紀(jì)70年代建成起，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡一直由康奈爾大學(xué)管理;2011年運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)換為斯坦福國(guó)際研究院（SRI）、大學(xué)空間研究協(xié)會(huì)（USRA）和波多黎各城市大學(xué)（UMET）;2018年中佛羅里達(dá)大學(xué)（UCF）宣布接管阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。從2006年起，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）連續(xù)大幅度削減對(duì)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的研究經(jīng)費(fèi)，如果無(wú)法獲得其他資金來(lái)源，面臨被迫關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn);2017年，颶風(fēng)瑪麗亞導(dǎo)致阿雷西博望遠(yuǎn)鏡上方大型饋源天線斷裂，并砸壞了主反射面，需要高達(dá)1430萬(wàn)美元的費(fèi)用來(lái)維修，這進(jìn)一步給阿雷西博的未來(lái)蒙上了陰影[6]。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)56歲了，曾經(jīng)風(fēng)光無(wú)限，如今飽經(jīng)風(fēng)雨、年久失修、銹跡斑斑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去猶如大型垃圾場(chǎng)，前景堪憂，令人唏噓不已。2016年我國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）接力阿雷西博成為世界第一大望遠(yuǎn)鏡，阿雷西博的困境不得不引起對(duì)大型科研設(shè)施保護(hù)的注意，如何避免我國(guó)FAST遭遇同樣的問(wèn)題，讓FAST設(shè)施的信息得到有效保護(hù)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，是亟待解決的問(wèn)題。當(dāng)前科技迅速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)對(duì)大型科研設(shè)施信息傳承與保護(hù)提供了新途徑，這是大型科研設(shè)施保護(hù)工作的福音，也是數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新運(yùn)用。

2 數(shù)字化為大型科研設(shè)施的傳承與保護(hù)帶來(lái)新機(jī)遇

2.1 為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護(hù)提供多種技術(shù)手段

數(shù)字化時(shí)代涌現(xiàn)的各種各樣的數(shù)字化技術(shù)手段，為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護(hù)提供了有力的技術(shù)保障。運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z影、全息拍攝和三維掃描等技術(shù)對(duì)大型科研設(shè)施的信息進(jìn)行數(shù)字化采集，將大型科研設(shè)施信息資料記錄下來(lái)，有利于大型科研設(shè)施信息的保存;利用數(shù)字化的信息處理技術(shù)，將大型科研設(shè)施信息進(jìn)行分類(lèi)整理，構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)、云盤(pán)等介質(zhì)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效存儲(chǔ)和便捷訪問(wèn);運(yùn)用數(shù)字媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化等技術(shù)，對(duì)大型設(shè)施進(jìn)行還原及創(chuàng)建虛擬情境，可以直觀形象地對(duì)其進(jìn)行多維度的展示，從而給予有效的保護(hù)和傳播[7]。

2.2 加快大型科研設(shè)施的推廣傳播，增加其受眾群體

數(shù)字化時(shí)代多樣的傳播渠道和方式，加快了大型科研設(shè)施的推廣傳播，增加了其受眾群體。數(shù)字廣播、數(shù)字影視及智能手機(jī)等新媒體技術(shù)豐富了大型科研設(shè)施的傳承渠道和空間，特別是智能手機(jī)終端，更加方便了人們了解信息。大型科研設(shè)施作為國(guó)之重器，對(duì)于人才培養(yǎng)和科學(xué)研究發(fā)揮了重要作用，一旦其信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)數(shù)字化時(shí)代豐富的信息傳播方式，就會(huì)大大增加大型科研設(shè)施信息傳承的受眾群體，使普通百姓也能了解重要科學(xué)工具，這對(duì)于大眾科普具有重要意義[8]。

3 大型科研設(shè)施數(shù)字化傳承與保護(hù)途徑

中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），被譽(yù)為“中國(guó)天眼”，屬于國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，用來(lái)實(shí)現(xiàn)大天區(qū)面積、高精度的天文觀測(cè)，是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。FAST是天文學(xué)家南仁東于1994年提出的構(gòu)想，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)建設(shè)，以貴州省平塘縣喀斯特地貌洼坑為臺(tái)址，歷經(jīng)22年，于2016年落成啟用[9]。截至2018年，F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)59顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星候選體，其中有44顆已被確認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星[10]。FAST擁有30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大的接受面積，能夠接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，觀測(cè)范圍可達(dá)宇宙邊緣，綜合性能是著名的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的10倍，未來(lái)20至30年將保持世界領(lǐng)先地位，并將吸引國(guó)內(nèi)外一流人才和前沿科研課題，成為國(guó)際天文學(xué)術(shù)交流中心[11]。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡遭遇的困境，敲響了對(duì)FAST保護(hù)的警鐘。FAST由于地處偏僻以及避免電磁污染，不便現(xiàn)場(chǎng)觀看，為了對(duì)FAST設(shè)施信息進(jìn)行傳承與保護(hù)，下面提出一種方案。根據(jù)FAST的圖紙創(chuàng)建其三維模型，并對(duì)三維模型分類(lèi)編碼，再利用VR虛擬漫游技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游，構(gòu)建出可視化的FAST三維模型動(dòng)態(tài)展示系統(tǒng)。該方案以推動(dòng)FAST的科普教育和成果推廣，輔助FAST的使用維護(hù)及發(fā)展規(guī)劃，為大型科研設(shè)施FAST的傳承與保護(hù)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信息支撐。

3.1 創(chuàng)建三維模型

對(duì)物體進(jìn)行三維建模，主要是在三維空間中，對(duì)其形狀、顏色、材質(zhì)、光照、運(yùn)動(dòng)等本質(zhì)屬性進(jìn)行研究表達(dá)，進(jìn)而達(dá)到三維再現(xiàn)的過(guò)程[12]。三維建模構(gòu)造出來(lái)的三維場(chǎng)景所帶來(lái)的沉浸式的感官體驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)二維場(chǎng)景，并且通過(guò)構(gòu)建三維模型，可以有效的保存FAST設(shè)施各部件的精確信息，起到信息傳承與保護(hù)的作用。FAST設(shè)施的核心部分為主動(dòng)反射面系統(tǒng)，它由四千多塊反射面單元面板組裝成口徑為500米的球狀反射面主體，每塊反射面單元面板對(duì)應(yīng)著支撐它的背架及索網(wǎng)，索網(wǎng)包含6670根主索及2225根下拉索，每根下拉索連接著一個(gè)促動(dòng)器，通過(guò)地錨固定在地面上，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制下形成瞬時(shí)300米口徑拋物面的功能。

FAST如此復(fù)雜龐大的結(jié)構(gòu)需要采用合適的建模方法及建模工具，三維建模的核心就是根據(jù)物體的三維空間信息構(gòu)造出其幾何模型。FAST的三維空間信息需要通過(guò)研究其復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且采用合適的算法運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序建立三維空間特征點(diǎn)的空間位置與二維圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)間的定量關(guān)系，進(jìn)而確定研究對(duì)象表面任意點(diǎn)的坐標(biāo)值，再根據(jù)物體的尺寸、形狀、坐標(biāo)等屬性信息構(gòu)造它的三維幾何模型。目前常見(jiàn)的三維建模軟件包括3DS Max、Autodesk Maya及Blender等，而B(niǎo)lender憑借其可跨平臺(tái)、開(kāi)源免費(fèi)、便捷小巧、兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，特別是內(nèi)置Python腳本，極大地提高了建模效率，成為FAST建模工具的不二之選。

3.2 模型分類(lèi)編碼

FAST各部分三維模型數(shù)以萬(wàn)計(jì)，零件細(xì)節(jié)更是繁瑣復(fù)雜，如何有效的管理、調(diào)度、檢索、控制這些三維模型是亟待解決的問(wèn)題。目前對(duì)三維模型的研究主要集中在分類(lèi)和檢索上面，Lu等人將三維模型間的不相交信息和歐氏距離作為它們兩兩之間的距離度量，然后基于此距離度量將三維模型間的聯(lián)系構(gòu)造成一個(gè)圖的框架，最后用半監(jiān)督的方法估計(jì)三維模型的類(lèi)別[13];陳蕾在文獻(xiàn)中提到一種對(duì)三維模型分類(lèi)編碼的管理方法，采用巴克斯范式規(guī)范地描述三維模型文件，并設(shè)計(jì)一種分類(lèi)編碼器對(duì)模型進(jìn)行分類(lèi)，可以有效地對(duì)三維模型進(jìn)行規(guī)范化管理[14]。FAST三維模型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)正需要規(guī)范化的管理，從而提高三維模型的調(diào)用速度，減小模型占用空間，提高模型復(fù)用率，保證三維模型使用的實(shí)時(shí)性。

3.3 VR虛擬展示

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）又稱(chēng)靈境技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科。虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽(tīng)、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境的一種虛擬仿真技術(shù)。用戶可以借助一些可穿戴裝備，與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，從而互相影響，達(dá)到身臨其境的沉浸式體驗(yàn)[15]。虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，在很多領(lǐng)域都出現(xiàn)了開(kāi)創(chuàng)性的引領(lǐng)作用，展露出了巨大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護(hù)開(kāi)辟了新途徑。圖1所示為FAST設(shè)施部分三維模型，待FAST三維模型全部創(chuàng)建完成之后，需要導(dǎo)入到虛擬仿真平臺(tái)中，利用VR技術(shù)，創(chuàng)建虛擬情景，對(duì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行還原，實(shí)現(xiàn)虛擬漫游及交互設(shè)計(jì)等功能，來(lái)對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)的展示[16]，以達(dá)到直觀形象、生動(dòng)自然的保護(hù)與傳承FAST信息的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型科研設(shè)施是重要的科學(xué)工具，應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)在信息傳承與保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)，將物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)槿≈槐M用之不竭的信息資源。本文提出了一種對(duì)FAST信息數(shù)字化傳承和保護(hù)的方案，通過(guò)三維建模、模型分類(lèi)編碼及VR虛擬展示技術(shù)，將FAST資源形成一個(gè)數(shù)字空間，這不僅有效的對(duì)FAST信息進(jìn)行了傳承與保護(hù)，而且為大型科研設(shè)施信息的傳承與保護(hù)提供了有參考價(jià)值的理論和技術(shù)依據(jù)。下一步的研究?jī)?nèi)容是對(duì)FAST的模型分類(lèi)編碼和虛擬展示工作的進(jìn)一步完善。

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