AR + 沙盒：翻手為雲覆手為雨，探索科學新姿勢 精選

引用愛範君悄悄話：這項技術如果用在城市防澇就好了。

當一名學生用靶子在 4×3 英尺的盒子裏刮動沙子，形成丘陵和山谷，此時的沙盒上方，一個微軟 Kinect 攝像機自動計算攝像機與沙子間的距離，在畫面中加上輪廓線和顏色——冷色為窪地，暖色為山峰。

當她又把沙子聚集成山峰，顏色也會隨之而變，在一片藍海中形成綠色或橙色的島嶼。

當她把掌心覆在山丘上部，虛擬的大雨傾盆而出，順着陡峭的懸崖流入海里。


這名學生使用的就是由 LakeViz3D 項目專門設計的 AR 沙盒，旨在促進公眾意識、監護淡水生態系統。

與虛擬現實創造的沉浸式體驗不同，AR 把視覺、聽覺和其他一些數字效果疊加到現實世界的場景中，用户可以自己操作。

因此，AR 沙盒為地球科學與教育提供了一個互動工具。畢竟，地球科學的觀察過程總是跨越特別大的空間和時間，因而成為研究地球科學的一項重大的挑戰。

然而，有了「塑造我們的世界 AR 沙盒（以下簡稱 AR 沙盒）」，很多緩慢、龐大、複雜的地球進化過程就更清晰可見了。


詳解 AR 沙盒

在 AR 沙盒裏，結合地球相關的數字圖像，用户可以把沙子堆成各種形狀。這是一種創新的學習方式。

AR 沙盒由一台電腦投影儀和一台運動感應設備（如微軟 Kinect3D 攝像機）組成。當用户把沙盒裏的沙子堆積成各種形狀時，攝像機會檢測自身到下方沙子的距離。

沙面的三維模型，由投影輪廓線和一個標註顏色的立面圖組成，代表相應地表的地貌。隨着用户移動沙子，攝像機感知相應的變化，投影的顏色和輪廓線也會發生相應的改變。

（騰訊視頻）當某物體（如手）覆蓋在沙面上某一高度，且被攝像機檢測到，物體下就會出現虛擬的雨水，在沙灘上呈現出藍色的動態場景。
虛擬的雨水落到沙子上，隨着地勢和運動規律分佈在沙盒裏，再慢慢滲透進土壤。用户也可以選擇按下電腦上的某個按鈕，虛擬的雨水會迅速排出。


開發歷程

AR 沙盒的原型，由加利福尼亞大學戴維斯分校 Keck Center for Active Visualization in Earth Science（以下簡稱 Keck CAVES ）開發。該項目最初的靈感來自於捷克「桑迪站（Sandy Station）」的研究人員。
AR 沙盒項目由多學科國家科學基金會（NSF）提供資金支持。

科學家、科學教育家、評估員、博物館專家和媒體一起參與 AR 沙盒項目，創造一個三維可視化系統，前四個 AR 沙盒建立在 LakeViz3D 合作的科學中心：Keck CAVES、加州伯克利分校勞倫斯科學館、內華達州塔霍環境研究中心、佛蒙特州尚普蘭湖萊希生態、文化、歷史、機會（ECHO）中心（Ecology, Culture, History, and Opportunities (ECHO), Leahy Center for Lake Champlain in Burlington, Vt）。

AR 沙盒所用的軟件也在 Keck CAVES 開發，採用的是一個開源開發的三維圖形應用程序的 VR 開發工具包。流動可視化是基於 Saint-Venant 淺水方程，是 Navier-Stokes 流體運動方程的深度集成版本。

淺水方程是描述淺水流動的數學模型，它能揭示淺水流動的一般規律，是反映淺水流動的一個依據。流體運動方程是牛頓第二定律的流體力學表達式，是控制流體運動的基本方程，有理想流體運動微分方程和粘性流體運動微分方程。

助力地球科學學習

2012 年，AR 沙盒在博物館中推出。迄今為止，超過 150 所大學、研究中心、會議、政府機構和學校中已經使用過 AR 沙盒，能被應用於各種地球科學主題和學習環境中。


人，不論年齡或背景，都喜歡通過探索來學習。AR 沙盒能提供有形的互動和多種類查詢，從而提高了用户參與度。用户最初可能被鮮豔的色彩和可視化水流所吸引，當他們發現他們的動作不僅能控制沙子，還能控制可視化內容時，他們才真正大呼過癮。

用户往往在 LakeViz3D 沙盒前待的時間超過 20 分鐘（有時甚至超過一小時），遠多於停留在其他單一展覽中的時間。此外，用户們還經常一起設定任務，一起合作，特別是在用沙子堆積特殊地貌的時候。

教育工作者可以交互演示了廣泛的地球科學概念。例如，他們可以（或者鼓勵學生）展示地球表面已形成的地貌，説明他們是如何通過各種過程產生的，如洪水、侵蝕、地質構造、冰川作用。還可以鼓勵學生自己展示。

美國地質調查局喀斯開火山觀測站（U.S. Geological Survey Cascades Volcano Observatory）報告説，「沙盒是一個迷人的講故事的設備。」他們和遊客一起用沙盒探索聖海倫斯火山（Mount St. Helens）是怎麼形成的，1980 年爆發時發生了什麼，火山泥流是怎麼沿着火山流向下游的。
教師用沙盒成功向地形圖、水文和地貌專業的大學生授課。在加州大學戴維斯分校，在學生前往野外之前，學生們在高年級構造地質學課程用 AR 沙盒觀察地下構造。

東卡羅萊納大學（ECU）的教師報告説，AR 沙盒有助於學生在物理地質實驗室中理解輪廓線和可視化的三維景觀。在地圖中，這些往往被描述成線條，學生們曾一度感到非常棘手。此外，ECU 學生們曾建模、預測、研究水是否能在自然表面上從一個流域流動到相鄰盆地。

在雷德蘭茲大學，地質和自然災害課程導師發現，沙盒減少了空間學習的障礙，幫助學生培養理解地形及其應用的直覺。

在這些積極成果的基礎上，我們提出了 AR 沙盒應被更廣泛地用於大學地球科學教育。

科學傳播和研究的工具

除了增加用户的參與和學習深度以外，科學家還可以通過 AR 沙盒向政策制定者、資助機構和公眾展示他們的研究成果。

在今年美國科學促進會年會上，AR 沙盒獲得了推薦。此外，AR 沙盒還在美國科學與工程節和白宮水峰會的美國國家科學基金會的展台上展出。在霍華德大學，特定的 AR 沙盒被安裝在 6 年級數學和科學教室中。
在這些場合，由 AR 沙盒提供的可視化功能成為一個強大的宣傳和溝通工具，圍繞涉及改變局部和全局的系統的大數據，為政治家、合作者、學生和投資者提供更深層次的交流素材。例如，土地管理和規劃部門可以在 AR 沙盒中測試環境變化，完成有關的自然災害規劃決策。

事實上，英國紐卡斯爾大學的研究人員正在用 AR 沙盒學習和交流洪水風險。和風教育基金會的教育家用沙盒建造波士頓地形模型，用來探索海平面上升和風暴潮的情景。

地球科學的研究人員也可以使用 AR 沙盒把各種地球觀測數據（如衞星圖像、植被指數、太陽輻射）投影到三維景觀模型上，以便更好地觀察和理解空間環境數據的模式如何對地形產生影響。

構建下一代學習沙盒

我們歡迎開發者、科學家和教育家進一步提高沙盒的能力，擴展軟件模型。用於創建 AR 沙箱的 3-D 軟件是開源的，沙盤藍圖和協助指南也能夠在網上免費下載。我們還設有一個公共論壇，公眾可以在上面提出問題，交流心得。
我們很高興的是已經出現了許多創新和修改版的 AR 沙盒應用，希望會有更多的人探索沙盒，並擴大其在地球科學教育，政策和研究方面的應用。

點擊查詢離你最近的 AR 沙盒。

引用本文編譯自 Earth & Space Science News，原文標題為 Augmented Reality Turns a Sandbox into a Geoscience Lesson。

題圖來源：Idav


資料來源：愛範兒（ifanr）