增强现实沙箱：造物主的感觉

　　很多人都会想起小时候上学时，老师在地理课上讲解的水陆循环图、地形图、等高线等知识。对于很多孩子来说，当时课本上的平面彩图已经不能满足他们的好奇心和求知欲了，一些感兴趣的孩子纷纷在课下时间围住老师，想以一个更直观生动的角度一窥地下水流动循环的全貌。由于平面图表现效果有限，用沙子和粘土模型又缺乏必要的动态感，如何在实际中通过技术的改进，满足教学需要和学生对知识的渴求，成了一个值得探讨的问题。

　　现在，来自加州大学戴维斯分校（UC Davis）多家研究机构的研究人员正在这一问题上做出有益的探索。他们使用增强现实技术与传统的沙箱相结合，来演示这一循环过程，所研发出的增强现实沙箱可以实时地对盒内的沙子进行不同程度地变色，即时模拟出水位、地形等指标数据的变化情况。将其用于教学实际，无疑将有助于向孩子们更直观地展示水陆循环系统的运行过程。该项目由美国国家科学基金会（NSF）资助。

　　

　　沙箱的静态图像由Kinect 3D摄像头获取，水流形态与颜色变化的实时数据经计算机模拟处理后，再由数字投影仪投射至沙盘上。

　　来源：加州大学戴维斯分校

　　研究团队使用微软Kinect 3D摄像头，当然也少不了一台数字投影仪和在计算机上运行的软件，投影仪下方是一台用四脚支起的普通沙盒，供光学取景使用。这一系统实际上就是使用Kinect摄像头的闭路、强力的模拟和可视化软件以及一台数字投影仪组成的交互式展品。

　　首先，位于沙箱上方的Kinect摄像头以每秒30帧的速率获取静态图像。随着使用者改变下方沙盒内的地势，这些变化的具体信息被摄像头捕获，再传输至一台运行着模拟软件的计算机上。由软件根据变化情况在虚拟拓扑图上自动生成不同的颜色。它还使用反映浅水流动特性的圣维南方程组（Saint-Venant equations）来模拟出逼真的水流。这些颜色变化和水流形态的模拟信息都通过投影仪实时投射至沙盘上，一切看来就像是使用者在一手在沙箱中造出了这些高山、小河、湖泊和溪水一样。

　　更加令人期待的是，这一模拟软件通过了国家科学基金会的公开许可，这意味着几乎所有的学校、博物馆和教育机构，都可以以一个非常低的成本构建几乎与之相同的模拟系统。这样，学生们就能够对水陆循环系统的运转情况有一个更加直观的理解，而能够随时间实时变化的彩色拓扑图，也比静态的沙土模型更具交互性。