地質標本三維建模技術與學習平臺初探

顏嬌嬌 張茜鳳 陳旭 李杰

摘 要：分析現(xiàn)有地質標本教學平臺的應用情況，依照構建虛擬仿真實驗教學中心的要求，提出以中國礦業(yè)大學資源學院實驗室現(xiàn)有資源構建地質標本教學平臺的建議。根據(jù)對學生、教師、實驗室管理員的需求分析，確定本平臺的基本功能，并綜合中國礦業(yè)大學資源學院現(xiàn)有的古生物、礦物、巖石標本的儲存情況，建立可以進行標本檢索、三維展示、教學管理、科普天地等功能模塊的虛擬仿真平臺，實現(xiàn)地質實驗教學信息化與實驗室管理有效化的探索。

關鍵詞：三維建模;地質標本;學習平臺

中圖法分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：B ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0316

1 ?地質標本學習平臺發(fā)展背景及現(xiàn)狀

在教育信息化[1]發(fā)展戰(zhàn)略指導下，教育部從2013 年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作[2]，實現(xiàn)了以互聯(lián)網(wǎng)技術為主的現(xiàn)代信息技術與傳統(tǒng)教育的融合[3，4]。地質標本學習平臺是高校推進虛擬仿真實驗教學改革、優(yōu)化實驗教學資源結構、提升實驗教學的重要措施[5]，是虛擬仿真實驗教學建設中的重要組成部分，現(xiàn)已建設的地質標本實驗教學平臺有成都理工大學教學實驗中心、長江大學地質標本實驗室[6]等。其中成都理工大學建設的數(shù)字化地質標本平臺展示了礦物、巖石、鈾礦、構造等標本的圖片、文字、三維模型信息，可以支持手機、平板、電腦等多平臺瀏覽，是高校實驗教學平臺建設中較為成熟的國家級示范項目。

2 ?地質標本信息

2.1 ?地質標本基本信息

地質標本的價值在于標本所承載的信息，標本實物是這些信息的載體[7]，學習與鑒定地質標本是地學專業(yè)必須具備的一項基礎技能。地質標本具有如下特點：①種類繁多復雜，具有多種分類標準;②體量大小和稀缺程度不一;③標本易風化、腐蝕、磨損，含有雜質，采集、保存過程較為費力;④地質信息可辨識度高。標本信息包括基本信息與地質鑒定信息兩大類，其中共有的信息統(tǒng)計為公共信息表，特有的統(tǒng)計為個性信息表[8]（見表1）。

2.2 ?地質標本信息分類

地質標本的規(guī)范分類是實驗室管理的任務，也是課程教學的模型工具。標本信息總量大、種類多，為實現(xiàn)標本科學化、規(guī)范化、信息化的管理[9]可根據(jù)信息的使用頻率分為常用信息與不常用信息;根據(jù)信息的來源或使用場所分為實驗室信息、礦產(chǎn)信息等;根據(jù)標本信息的數(shù)據(jù)類型可以分為文字信息、影像信息、模型信息等。中國礦業(yè)大學的地質標本主要由礦物、巖石、古生物、煤巖四個部分組成，并且在長期的教學實驗過程中，實驗室已經(jīng)積累了大量的圖片、報告、顯微照片等數(shù)據(jù)資料，可以進行再整理、再利用。數(shù)字化標本在資源共享、信息傳輸、信息重組等方面展現(xiàn)出不可比擬的優(yōu)勢，且三維模型具有傳播力更廣的特點。綜合考慮中國礦業(yè)大學實驗室地質標本的特點，以及標本保存和使用時所遇到的問題，經(jīng)過檢驗，利用三維建模技術建立的平臺與傳統(tǒng)實體實驗教學系統(tǒng)相結合實現(xiàn)了教學上的虛實結合、優(yōu)勢互補和相輔相成[10]。

3 ?建模軟件對比與選取

3.1 ?建模軟件對比

三維建模在長期發(fā)展過程中更新了許多技術，每種技術都有各自的適應性。實現(xiàn)成果的最優(yōu)化需要對各種技術進行對比分析（見圖1），根據(jù)應用的實際需求，采用一種或多種方法組合應用。

經(jīng)過對比分析，綜合考慮地質標本普遍特點及中國礦業(yè)大學地質標本實驗室特點，采用基于Smart3D軟件的傾斜攝影三維建模方法可以實現(xiàn)全自動建立模型，具有經(jīng)濟、快速、簡便、逼真[11]的優(yōu)點，建模精度可以達到毫米級能夠滿足實驗教學的需要，是眾多技術中的較優(yōu)選擇。

3.2 ?巖礦石三維建模流程

3.2.1 ?建模硬件環(huán)境構建

Smart3D建模過程包括前期準備、影像數(shù)據(jù)采集、三維建模三個部分。配置EOS600D搭配EFS18-135mm鏡頭以及電動勻速電動旋轉臺（轉速：3.6r/min，半徑：20cm）、坐標背景板、光源器材、單反相機以及三腳架等設備，組成了一套完整的巖礦石手標本三維建模的硬件系統(tǒng)。以礦物、巖石、古生物標本為對象，進行了標本圖像數(shù)據(jù)采集與三維建模。

3.2.2 ?圖像數(shù)據(jù)采集

標本三維建模的重要保障是先獲得一系列高質量礦石標本的圖像序列，勻速電動旋轉臺搭配照相機間隔定時自動拍攝功能對快速采集照片起到重要作用。EOS600D搭配EFS18-135mm鏡頭，采用自動旋轉連拍模式，對載物臺上勻速轉動的標本進行80～150張拍攝，保證圖片中信息重復率大于60%[6]。攝影工作完成后，對影像文件進行篩選，剔除不符合要求的圖片，并使用圖像處理軟件進行加工使其達到最佳效果。

3.2.3 ?三維建模

利用Smart3D軟件進行建模首先創(chuàng)建工程并導入對應標本文件，確認圖片的相機參數(shù)正確后，使用軟件進行空間三角運算，并生成三維模型文件。瀏覽所建立的模型并使用Mesh mixer軟件進行修飾修補，去掉多余的空間碎片，合理修補空洞，并將背景板邊緣修剪成規(guī)則幾何圖形，重新貼圖，生成最終文件。生成的標本模型均由obj文件、mtl文件和jpg文件組成，方便網(wǎng)頁瀏覽[12]。Smart3D制作模型支持任意旋轉縮放平移，視覺體驗感優(yōu)良，可讓使用者獲得交互感、沉浸感，提供了一個可視化展示媒介[13]。三維模型真實度較高，分辨率達到3～5mm，可從模型上觀察到礦物巖石的結構、構造特征，古生物化石的結構、構造和紋理，能夠滿足實驗教學要求。共創(chuàng)建礦物巖石模型共計155個，古生物模型147個供平臺使用。

4 ?地質標本學習平臺設計與實現(xiàn)

4.1 ?平臺構建思路

構建地質標本學習平臺首先進行需求分析，進行靜態(tài)內容規(guī)劃。之后進入前期資料準備階段，收集教師與學生的基本信息，采集礦物、巖石、古生物等標本信息，進行數(shù)據(jù)整理并建立三維模型。然后進行平臺的UI設計，平臺的功能模塊確定后前后端并行開發(fā)，前端運用HTML5、CSS3、JavaScript等語言進行網(wǎng)頁制作，后端采用MySQL數(shù)據(jù)庫、JAVA等開發(fā)語言。在本地服務器調試穩(wěn)定后將平臺部署到服務器上，后期根據(jù)教學實驗的使用需要進行完善與優(yōu)化。

4.2 ?技術平臺開發(fā)適用優(yōu)勢

根據(jù)平臺數(shù)據(jù)特點、功能要求，系統(tǒng)技術開發(fā)前端程序利用HTML5、CSS3、JavaScript技術進行，后端采用MySQL、JAVA進行。選用HTML5進行開發(fā)的可以解決跨瀏覽器的問題，且部分代替了原來的JavaScript，在開發(fā)過程中具有更加明確的語義定義。采用MySQL進行后端開發(fā)的優(yōu)勢在于其軟件體積小、運行速度快、使用成本低、開放源碼共享，該數(shù)據(jù)庫可以滿足現(xiàn)階段的使用需求，適合本平臺的使用。

5 ?結語

基于傾斜攝影建模技術構建地質標本教學平臺是地質虛擬仿真實驗平臺建設的重要內容，在規(guī)范實驗室管理水平，提高信息共享水平，輔助教學方面起到有效作用。煤巖標本由于紋理、顏色難以區(qū)分，它的數(shù)據(jù)采集和三維建模是技術難點，將在平臺后期建設中進一步探討和完善。

參考文獻：

[1]祝智庭，賀斌.智慧教育：教育信息化的新境界[J].電化教育研究 2012，33（12）：5-13.

[2]教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通[EB/OL].2013-08-13[2020-09-04].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.

[3]教育部高等教育司.2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心入選名單公示[EB/OL].2016-01-13[2020-09-04] .http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/s5743/s5745/A08/201601/t20160112_227676.html

[4]祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現(xiàn)狀探析[J].實驗技術與管理 2015，32（11）：156-158.

[5]吉東風，李海燕，成何珍，等.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設探討[J].教育教學論壇 2020（20）：233-234.

[6] 陳志軍，張婭，呂新彪，等.巖礦石標本三維建模技術及其教學資源庫建設[J].實驗室研究與探索 2017，36（11）：140-145.

[7]曹希平.地質標本信息數(shù)字化與數(shù)字地質博物館建設的宏觀思考[J].地球學報 2007（2）：205-208.

[8]祁志武，李功權，劉歡.地質標本虛擬仿真學習平臺[J].計算機系統(tǒng)應用 2017，26（7）：110-115.

[9]羅玉瓊，周迎春，黃清德，等.地質教學標本數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗室研究與探索 2006，25（11）：1392-1394.

[10]張剛陽，陳翠華，王國芝，等.礦產(chǎn)勘查地質學虛擬仿真實驗教學體系的建設與實踐[J].中國地質教育 2017，26（1）：52-55.

[11]李勇.古生物化石仿真實驗教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]：徐州：中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，2019.

[12]錢磊，張文超.基于Smart3D的小物件三維建模技術及應用[J].河南科技 2018（28）：14-16

[13]趙思藝，何明躍.礦物晶體標本的三維可視化展示設計與實現(xiàn)[J].科研信息化技術與應用 2017，8（4）：51-56.

[14]張曉麗，陳義林，何金先.地質標本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)內容框架與功能模塊設計[J].蘭州教育學院學報 2017，33（3）：84-86.

Research on 3D Modeling Technology and Learning Platform

of Geological Specimen

Yan Jiaojiao ? ?Zhang Qianfeng ? ?Chen Xu ? ? Li Jie

（School of Resources and Earth Sciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou， 221000，China）

Abstract： This article analyzes the application of the existing geological specimen teaching platform， in accordance with the requirements of constructing a virtual simulation experiment teaching center， and proposes a proposal to build a geological specimen teaching platform with the existing resources of the Laboratory of Resources College of China University of Mining and Technology. According to the analysis of the needs of students， teachers， and laboratory administrators， the basic functions of this platform are determined. It also integrates the existing storage conditions of paleontology， minerals， and rock specimens in the School of Resources of China University of Mining and Technology， and establishes a virtual simulation platform that can carry out specimen retrieval， three-dimensional display， teaching management， science popularization world and other functional modules， so as to realize the exploration of geological experiment teaching informatization and effective laboratory management.

Keywords： 3D modeling; geological specimens; learning platform