图像由美国国家公园管理局提供

以实时3D形式探索美国国家公园内的洞穴奇观

2021年2月22日
Blase LaSala曾是公园管理员,后来成为受雇于美国国家公园管理局的政府承包人,专门在美国各地旅游,扫描洞穴构造,并制作用于科研和旅游业的实时可视化演示。Blase最初从事这项事业时一直靠手工方式记录洞穴,直到他使用了一台激光扫描仪并下载虚幻引擎为止。 
美国国家公园管理局的洞穴技术员们干的是一种不同寻常的工作。除了维护供公众游览的洞穴外,他们可能还需要深入地下,探查和记录未经探索的原始洞穴空间。

在Blase LaSala获得地球科学学位后的最初几年,他是美国国家公园管理局(NPS)的一名洞穴技术员(也叫自然科学技术员),工作内容是尽量减少公众游览路线上人类造成的影响。他偶尔也有机会探索和调查偏僻的地下洞穴体系。“我基本上就是个洞穴清洁工。”他笑着说,“不过在另一些时候,我还会帮助绘制从来没有人见过的部分洞穴的地图。这部分工作绝对是最棒的。”

有一天,Blase得到了使用激光扫描仪的机会,从此他的事业就向着意想不到的方向起飞了。“我小时候很喜欢玩《虚幻竞技场》,花了很多时间参加社区创作的地图和Mod的公测。”他说,“当我看到那台扫描仪能够产生的数据时,我立刻就想试试,能不能把它转换为虚拟环境。”
图像由Brooke Kubby提供
Blase现在是全美各地的3D数字化洞穴游览项目都会联系的高手。他使用激光雷达扫描仪、摄影测绘法、超级计算机和虚幻引擎扫描洞穴并制作视频和虚拟现实体验,让科学家和好奇的公众都能全面领略这些激动人心的地下世界。
 

虽然许多国家公园都已经开通了虚拟游览,但它们基本上是由视角受限的照片和视频组成的。而3D虚拟浏览捕获了从各个角度观察的细节,能让我们近距离审视各种错综复杂的构造,又没有损坏它们的风险。 

在过去一年里,Blase一直忙于根据各种长达数英里的隧洞创作虚拟体验,让这些自然奇观在众多NPS洞穴因新冠疫情限制对公众封闭的时期也能供人浏览。

除了让公众能够游览洞穴之外,这些交互式环境也服务于科学界,使地质学家仅凭可视画面就能进行全面研究。不仅如此,那些因为生理限制或封闭空间中的心理不适等原因而难以进入洞穴的人现在光靠电脑也能享受到和实地游览者相似的教学与美学体验。
图像由美国国家公园管理局提供
用虚幻引擎呈现的未经润饰的利曼岩洞。

学习3D:木薯淀粉洞穴

虽然Blase很享受作为洞穴技术员的所有方面,但他最喜欢的部分还是探索。在他为NPS做的工作中,包括与几个经验丰富的洞穴工作者结成小队,根据地图探索未知区域,在狭小的孔洞中爬行,以及趟水确定已知洞穴的边界。

“你必须真正喜欢摸黑在泥水中爬来爬去,就像我一样。”Blase笑着说,“国家公园管理局管理的一些洞穴体系有100多英里长,有时候我们需要在里面宿营好几天。当你在早上睁开眼睛时,那里就和你合眼时一样漆黑。”

这种旅行的目的是记录洞穴通道并进行测量,从而制作地图。探险队会给各种有趣的东西拍照——晶体、石膏丝、动物遗骨——并手绘洞穴岩壁和地貌的草图。

在Blase参与这些探险时,他有时会想,也许有更好的方法来记录和分享他们收集的数据,以某种方式将他对电子游戏和洞穴探险的热爱结合起来,让人们能够更真切地感受到他们所发现的事物。“我想,地图固然不错,但是如果有办法以虚拟方式体验这些,又会怎样?”他说,“三维的图像对于科学研究也很有用。”
图像由美国国家公园管理局提供
利曼岩洞的图像,直接取自虚幻引擎。
Blase在南达科他州的风洞国家公园度过了2014年的冬天,在那里他首次得到了使用扫描设备的机会。这个公园有一台莱卡HDS扫描仪,是从附近的奥格拉拉拉科塔学院租借的,但是还没怎么利用过扫描数据。

“风洞公园的GIS专家Kevin Kovacs给了我使用这台设备的机会。”Blase说,“他看到我对它很感兴趣,就让我带上它去探险。”

Blase使用莱卡自制的Cyclone点云处理软件,结合MESHLABCloudCompare,把扫描仪中的原始数据转换为OBJ格式的3D模型。

“这些模型没有纹理,但是我把它丢进虚幻引擎,想看看效果如何。那看起来就像是用木薯淀粉做的洞穴。”Blase如此评论,“但是你能认出那是什么地方。我把它作为概念验证拿给风洞公园的人看,每个人都觉得这很酷。”
3D洞穴可视化的演变。从左到右:2014年在风洞公园用扫描数据做的第一个粗糙的“木薯淀粉”洞穴,2019年在廷帕诺戈斯用扫描数据创建的实时灰度环境,以及2020年用扫描数据和照片制作的利曼岩洞的全彩实时图像。

教育与首个项目的结合

大致在同一时间,犹他州的廷帕诺戈斯国家纪念碑公园正要找人用激光雷达记录他们的洞穴。拥有地质学背景、洞穴地图绘制技能和扫描经验的Blase就成了当仁不让的人选。

这个工作要求Blase带上一台Faro Focus激光雷达扫描仪,在初冬时分沿着一条蜿蜒陡峭的山路爬上一个雪崩槽沟,然后进入湿度接近100%的冰冷洞穴。Blase在承担这项任务时特别关心设备的运行状况。“我把那台扫描仪像婴儿一样抱在怀里。”他回忆说,“一天的扫描工作结束后,我们就把它存放在比较暖和的地方,以免它着凉。”
图像由Brooke Kubby提供
经过两个星期的扫描,他们得到了一个包含220亿个点的点云,它代表着超过一英里的通道景象,分辨率高到足以让人看见细如铅笔的“石吸管”洞穴构造。这个虚拟环境的数据量超过一太字节,处理任务非常繁重,需要专门的软件来运行。

虽然这个项目被认为很成功,但Blase想把这些数据转化为能够更好体现探险刺激性与洞穴特征的形式。最终他把这个项目与自己的学业努力相结合,完成了亚利桑那大学的毕业论文,并在2019年获得硕士学位,同时为廷帕诺戈斯国家纪念碑公园提供了其三洞穴体系的3D数字游览项目。Blase使用这所大学的超算集群,并用Misha Kazhdan提供的开源网格算法处理了这些点云数据。凭借这一新颖的“端到端”工作流程,Blase赢得了矿业与地质工程系的“杰出研究生”称号。

Blase认为虚幻引擎为他取得这一成就发挥了不可或缺的作用。“我没有计算机科学或3D建模背景。”他说,“我只知道怎么把上TB的数据转换为虚幻引擎能够理解的格式。然后它就替我处理了其他的一切。”

通过色彩实现逼真感觉

继这次成功之后,Blase成立了一家公司,专门扫描洞穴并制作3D虚拟游览体验。2020年初,他的公司完成了内华达州大盆地国家公园中的利曼岩洞的一系列游览视频

在这个项目中,Blase综合使用了激光雷达与摄影测绘法,在视觉保真度方面前进了一大步。廷帕诺戈斯的3D场景是黑白的,而Blase借助10多万张照片制作的利曼岩洞视频却反映了实物的真实色彩,为虚拟游客提供了逼真得多的体验。
图像由美国国家公园管理局提供
利曼岩洞的图像,直接取自虚幻引擎。
不仅如此,数TB的模型也以亚厘米精度展现了超过一英里的游览路线,并利用法线贴图、全局动态光照和LOD实时运行。“你能看到任何比指甲盖大的东西。”Blase说,“人们由此认识到了他们从未见过的构造和空间。我们把它和照片做过对比,确保它正确展示实景。”

他还补充说,实时技术的发展实在太快,以至于他现在的作品已经接近了扫描仪的极限,而非受限于软件。“这是前所未有的。”Blase说,“以前我不得不放弃大部分扫描仪数据,因为软件无法处理。现在有了虚幻引擎,就不必做这些妥协了。”

为了实现交互式模拟,Blase利用了虚幻引擎的VR和第一人称模板。“有这些预先做好的模板,真是太棒了。”他说。Blase已经为廷帕诺戈斯公园制作了多款VR体验,其设计初衷是让人们在现场欣赏——可惜由于疫情的影响,公众至今还无法欣赏这些体验。不过在最近测试它们的时候,Blase欣喜地发现这些虚幻引擎项目能够在配备一块GTX 1080显卡和一个英特尔6900K处理器的机器上以每秒90帧速度运行。“想想看,它们在更新的硬件上能运行得多好啊。”Blase若有所思地说。

Blase特别喜欢的一点是,只要数据格式正确,虚幻引擎就能替他做大部分繁重的工作。“有了各种模板、纹理和自动LOD,它就是能干活。”他说,“那都是几TB的原始数据,虚幻引擎总能处理并自动优化一切。”

畅想洞穴扫描的未来

虽然扫描和实时技术还没有在地质学家中间得到广泛运用,但Blase预计它们将会成为帮助科学家们开展研究和解决问题的关键工具。“能够看到三维的洞穴并与之交互,你就能发现你以为自己从来都看不到的东西。”他说,“你可以凑近观察在现实中可能遥不可及的构造或地貌。你想看多少次都行,不用担心破坏任何精细的结构。”
图像由美国国家公园管理局提供
利曼岩洞的图像,直接取自虚幻引擎。
如今在继续扫描洞穴和制作媒体的同时,Blase正在北亚利桑那大学作为Teki Sankey博士的地理信息学实验室的成员攻读博士学位。地理信息学涉及从激光雷达扫描仪、多光谱传感器和高光谱传感器等遥感设备获取数据流,利用它们进行统计分析、地貌推断和可视化。当然,Blase也用上了自己新学会的技能。“虚幻引擎能够给我们可视化和使用这些数据集的方式带来革命性的变化。”他说。

说起虚幻引擎5,使用新的Nanite功能优化常用的数十亿多边形3D模型的前景让Blase感到很兴奋。“我迫不及待地想看到我们能够把它的性能发挥到什么地步。”他说。

Blase认为,一旦其他人意识到使用虚幻引擎创作可视化有多么方便,它就会被越来越多地用在科研上。“我不是专家——我原本只是个公园管理员,喜欢爬来爬去,把自己弄得脏兮兮的。”Blase说,“既然我能学会虚幻引擎,那么任何人都能。”
图像由Brooke Kubby提供
注:Blase LaSala在本文中表达的是他的个人观点,不一定代表美国国家公园管理局的观点。

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