虛擬現(xiàn)實(shí)視角下的宇宙尺度體驗(yàn)設(shè)計(jì)

張文昭, 高 健, 高子豪, 余 恒, 劉 康, 黃 元, 王鈺溪

(1. 北京師范大學(xué) 天文系, 北京 海淀 100875； 2. 北京師范大學(xué) 翰德學(xué)院, 北京 海淀 100875)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)能夠提供沉浸式體驗(yàn)的軟件,能實(shí)現(xiàn)虛擬視覺、人機(jī)交互、仿真和實(shí)驗(yàn)等功能[1]。近年來,VR技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅猛,除被廣泛應(yīng)用在游戲、媒體、設(shè)計(jì)、工業(yè)制造等領(lǐng)域外[2-4],也在教育領(lǐng)域中興起。國(guó)內(nèi)VR+教育應(yīng)用起步并主要體現(xiàn)在虛擬仿真校園,同時(shí)也正在向遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)方向發(fā)展[5]。VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高校的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作方面[6]。

對(duì)天文學(xué)科來說,在VR技術(shù)出現(xiàn)之前最好的可視化設(shè)備是球幕天象投影和球幕電影[7-10]。但這類設(shè)備始終受到場(chǎng)館數(shù)量少、觀眾容納量小、節(jié)目成本高的制約,無法大范圍推廣。VR設(shè)備完全可以借助VR軟件打造個(gè)人天象廳,將最新天文發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代宇宙觀念呈現(xiàn)到更廣泛的受眾眼前。

本文以日本國(guó)立天文臺(tái)開發(fā)的支持VR技術(shù)的天象廳軟件Mitaka為例,設(shè)計(jì)了宇宙尺度體驗(yàn)的VR天文課件,促進(jìn)信息技術(shù)與天文教學(xué)的深度融合,構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天文教育和科學(xué)普及。

1 虛擬天象廳特點(diǎn)

現(xiàn)階段,VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)一般可以通過3種不同的HMD[11]:一體式頭顯設(shè)備(俗稱一體機(jī)VR)、外接式頭顯設(shè)備(也稱為PC端VR)、移動(dòng)端VR(又稱手機(jī)盒子)(見表1)。其中,PC端VR硬件技術(shù)相對(duì)成熟,配套軟件帶來的體驗(yàn)感最出色；移動(dòng)端VR雖然在價(jià)格和便攜感占有優(yōu)勢(shì),但是體驗(yàn)感并未真正達(dá)到“虛擬現(xiàn)實(shí)”感覺；一體機(jī)VR介于兩者之間,將會(huì)是VR發(fā)展的趨勢(shì)。

表1 VR輸出設(shè)備對(duì)比

基于一體機(jī)開發(fā)的虛擬天象廳是主要的VR天文類應(yīng)用。傳統(tǒng)天象廳常建于博物館和科技館等科普中心,利用圓頂、投影等技術(shù)展示教學(xué)、娛樂類天象節(jié)目,有時(shí)也用于宇航探索訓(xùn)練。虛擬天象廳經(jīng)歷了從PC桌面端/手機(jī)端到HMD端的過程,已基本具備同實(shí)體天象廳相當(dāng)?shù)囊曈X、聽覺效果,其具有經(jīng)濟(jì)性、拓展性、普適性、交互性[12]和沉浸感[13]5大特點(diǎn):

(1) 經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)天象廳的場(chǎng)館不僅建設(shè)復(fù)雜,空間要求巨大,造價(jià)一般都在百萬量級(jí),后期為購買能夠播放的球幕節(jié)目也需要大量經(jīng)費(fèi)。當(dāng)前相對(duì)高端的PC端VR頭顯一般為2萬元一套。在不需要學(xué)生自主操作的情況下,只增加VR頭顯就能讓更多學(xué)生觀看到天象節(jié)目。隨著VR硬件技術(shù)的發(fā)展,提供更高視覺體驗(yàn)和更多交互操作的VR設(shè)備價(jià)格還會(huì)下降。就降低成本而言,開發(fā)VR節(jié)目難度更低、周期更短、更容易形成規(guī)模、降低成本。當(dāng)前Viveport平臺(tái)上最昂貴的VR天文產(chǎn)品,時(shí)長(zhǎng)25 min、360°、4k全景電影“We Are Stars”價(jià)格僅為36元,遠(yuǎn)低于平均100元的天文館門票。對(duì)于學(xué)校或者科普?qǐng)鲳^來說,購入一批VR設(shè)備相比于修建一個(gè)數(shù)字化天象廳,無疑要更加合適。

(2) 拓展性。從技術(shù)層面看,先進(jìn)的3D游戲、3D動(dòng)畫開發(fā)為VR應(yīng)用提供大量的實(shí)踐和理論基礎(chǔ),而互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境能夠保證產(chǎn)品低成本地推廣和向體系發(fā)展。從天文教學(xué)理論看,隨著高校對(duì)教學(xué)和研究的重視,更多的現(xiàn)代化天文教學(xué)模式出現(xiàn)將產(chǎn)生更多產(chǎn)品需求,而更多的需求又會(huì)反過來刺激VR技術(shù)的向前發(fā)展,進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)。屆時(shí),VR虛擬天象廳將成為VR天文應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)或課件開發(fā)平臺(tái),可以根據(jù)不同教學(xué)需要在虛擬宇宙系統(tǒng)開發(fā)專項(xiàng)課件。

(3) 普適性。VR虛擬天象廳具有強(qiáng)大的展示功能,能夠突破地域、天氣等外界環(huán)境制約,低成本地呈現(xiàn)直觀的天文概念。相對(duì)于城市中無處不在的光污染,即使晴天夜晚也看不到幾顆星星的情況,VR虛擬天象廳給了人們一片干凈的天空。想象一下,一條絢麗的銀河橫掛在漆黑的天空背景上,無數(shù)的星星向你眨著眼睛。這種只有在遠(yuǎn)離城市幾百千米的郊外才能看到的情景,VR虛擬天象廳隨時(shí)隨地可以展示給您看。

(4) 交互性。傳統(tǒng)天象廳只能讓人們被動(dòng)地接受知識(shí)的“輸入”,缺乏自由探索、探究的過程,不利于激發(fā)人們的好奇心與探知欲望。VR虛擬天象廳既可以進(jìn)行多人交互、共同學(xué)習(xí)、共同研究,也提倡自主探索。學(xué)習(xí)者有較高的自由度,可以對(duì)自己感興趣的知識(shí)進(jìn)行深入探索,并且可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互,增加對(duì)天文的興趣。

(5) 沉浸感。相比于傳統(tǒng)天象廳的球面模式,VR虛擬天象廳使用戶能夠直接處于三維星空中,給用戶展現(xiàn)全景視圖、3D視圖,可以帶給用戶強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感和沉浸感,利于激發(fā)用戶的學(xué)習(xí)興趣。

綜上,當(dāng)前的VR虛擬天象廳相比于傳統(tǒng)的天象廳,具有經(jīng)濟(jì)性、拓展性等5大特點(diǎn),除了可以用低成本覆蓋原有天象廳節(jié)目外,還能夠基于虛擬星空開發(fā)更具深度、廣度的天文教學(xué)課件,適用于學(xué)生進(jìn)行自主探索,自主學(xué)習(xí)。另外,感官效果上也可以帶給用戶與球面模式完全不同的沉浸感,激發(fā)其學(xué)習(xí)、探索的興趣。

2 虛擬天象廳軟件Mitaka簡(jiǎn)介

現(xiàn)在世界范圍內(nèi)VR天文應(yīng)用開始流行,它們功能各異,各自有各自的特色。經(jīng)過調(diào)查研究和測(cè)試、實(shí)踐,主流的天象廳軟件有Star Chart 、Mitaka[14]、WWT和Stellarium等。Star Chart是開發(fā)商Escapist Games從PC端移植過來的一款天文模擬軟件,其內(nèi)容簡(jiǎn)單、固定,更偏向一款游戲而不是教學(xué)軟件,不具有二次開發(fā)的功能。Stellarium和WWT在PC版本的基礎(chǔ)上提供了VR插件,使之能夠支持VR模式,但并沒有在VR模式上開發(fā)新的功能,顯示上只支持手機(jī)盒子模式,相對(duì)簡(jiǎn)陋,VR技術(shù)最突出的沉浸感不夠強(qiáng)烈,并且也不支持二次開發(fā)。

目前最佳支持VR模式的有Mitaka,它是由日本國(guó)立天文臺(tái)加藤恒彥開發(fā)的一款天文軟件,是基于太陽系/星系數(shù)據(jù)的“四維數(shù)字空間觀察器”[15]。 它在三維空間中添加“時(shí)間”,用“四維”模擬外層空間,并對(duì)其進(jìn)行可視化,可以從地球表面自由移動(dòng)到宇宙的大尺度結(jié)構(gòu),看到各種天文觀測(cè)數(shù)據(jù)和天文學(xué)理論模型。它旨在將天文學(xué)的最新成果以一種“易于理解,有趣和科學(xué)正確的視頻表達(dá)方式”傳達(dá)給普通大眾,通過超級(jí)計(jì)算機(jī)處理望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)以獲取最新的宇宙繪制圖像。

Mitaka最新VR版本1.4.3a于2018年4月發(fā)布。新版本既支持能應(yīng)用在天象廳環(huán)境的Dome模式(全景模式或魚眼模式),也支持VR模式(支持普及率較高的HTC VIVE和Oculus兩種VR頭戴設(shè)備)[16]。

相比于其他天文軟件,Mitaka具有以下優(yōu)點(diǎn)與特色:

(1) 支持多國(guó)語言(包含中文),普及的范圍更廣,用戶更多。

(2) 及時(shí)更新重要的天文事件以及天文數(shù)據(jù),例如“卡西尼號(hào)”飛躍火星、根據(jù)ESA Gaia航天器獲得的11億顆恒星的位置和大小數(shù)據(jù)創(chuàng)建的銀河紋理貼圖等。

(3) 物理模型更加真實(shí),更加科學(xué)。例如:航天器的三維模型,月球、大行星、土星的光環(huán)都是基于更加真實(shí)的光散射物理模型顯示的；通過引入一種稱為法線貼圖方法的特殊技術(shù),更加忠實(shí)地繪制月球和太空船。

(4) 可自定義現(xiàn)場(chǎng)表演和屏幕選單設(shè)置,通過簡(jiǎn)單的腳本控制Mitaka Plus的所有功能。 如自定義GUI、自定義選單和工具欄、通過鍵盤和游戲桿和3D屏幕菜單的快捷鍵、自定義Mitaka Plus的初始狀態(tài)、存儲(chǔ)/恢復(fù)當(dāng)前狀態(tài)等。

(5) 可以設(shè)置時(shí)間及演示步長(zhǎng),以便看不同時(shí)間的天體位置(包含日月食現(xiàn)象)。

(6) 自由飛行模式?？梢栽O(shè)置觀測(cè)點(diǎn)并使視角隨著觀測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)而移動(dòng)。這樣,不僅可以從地面看到星空,還可以在太空中移動(dòng),可以飛到宇宙的盡頭,也可以飛到地球的上空。 在地球上空可以找到任何一個(gè)點(diǎn)降落,在那一個(gè)地方看星星。

(7) 提供地球、月球、火星地形高程資料下載。

(8) 正式發(fā)布的VR版“Mitaka”可以與 “Oculus Rift”和“HTC Vive”等主流VR頭盔兼容,并使用對(duì)應(yīng)的控制器進(jìn)行操作。支持虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)耳機(jī),使人們可以享受虛擬現(xiàn)實(shí)的獨(dú)特體驗(yàn),例如360°四面八方傳播的宇宙、行星、星系和“探索者飛船”逐漸接近等。

(9) 低版本1.3.2支持MIT開源協(xié)議。MIT是史上最為簡(jiǎn)潔和慷慨的開源協(xié)議之一,后續(xù)開發(fā)者只需要在發(fā)行版里包含原許可協(xié)議的聲明,就可以根據(jù)自己的需要,開發(fā)出符合自己要求的新版本。

雖然Mitaka仍有不足,如:改變觀演地點(diǎn)比較麻煩(Mitaka軟件缺省觀演地點(diǎn)為三鷹市(Mitaka),即日本國(guó)立天文臺(tái)總部所在城市)，改變觀演地點(diǎn)需要修改程序內(nèi)部的位置信息文件,不能直接在軟件界面進(jìn)行選擇和改變；只能顯示半球,地平線以下不能顯示；新版本暫不支持開源,不支持插件等?？紤]Mitaka的VR支持特色,因此選取它作為構(gòu)建我們VR天文課件的軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)。

3 利用Mitaka設(shè)計(jì)VR視角下的宇宙尺度體驗(yàn)課件

3.1 軟硬件要求

通過開發(fā)、測(cè)試和使用,我們推薦主要軟硬件配置如下:

(1) 頭盔顯示設(shè)備使用Oculus Rife CV1,或者HTC vive,或同品牌性能更高者；

(2) 項(xiàng)目軟件基于Unity3D或Unreal平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)；

(3) 最終發(fā)布的軟件可在windows 7(及更高的版本)上獨(dú)立運(yùn)行。

3.2 腳本設(shè)計(jì)

宇宙浩瀚無垠,空間尺度之大(億光年量級(jí))遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類日常經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)距離的空間旅行在目前還看不到實(shí)現(xiàn)的可能。因此,只能借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來幫助人們理解這些天文距離的含義,對(duì)太陽系乃至宇宙的結(jié)構(gòu)形成感性認(rèn)識(shí)。我們使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)真實(shí)天文數(shù)據(jù)來構(gòu)建一個(gè)真實(shí)比例的三維空間,用戶可以在其中漫游,在不同尺度上觀察太陽系、銀河系乃至宇宙的大尺度結(jié)構(gòu),從而對(duì)宇宙中各級(jí)天體的相對(duì)位置和尺度具有感性的認(rèn)識(shí)。

Mitaka有著比較豐富的快捷按鈕,因此根據(jù)課件設(shè)計(jì)內(nèi)容來記錄演示操作并完成腳本的編寫,最后運(yùn)行腳本即可自動(dòng)進(jìn)行Mitaka的VR課件演示。后期再搭配配音即可完成課件的制作。演示課件主要場(chǎng)景如下:

(1) 從地球表面上升,穿過大氣到達(dá)同步軌道,縱覽地球全貌,如圖1中a所示。解說詞:各位同學(xué)大家好,歡迎大家跟隨我一同探索神秘的星空世界。現(xiàn)在的我們正站在日本三鷹天文臺(tái)仰望星空,我們可以看到許多熟悉的老朋友,比如北極星、天狼星、月球等；現(xiàn)在我們離開地球,開始遠(yuǎn)航。

(2) 呈現(xiàn)地球月球之間的真實(shí)比例和漫長(zhǎng)距離,如圖1中b所示。解說詞:第一站我們來到了距離我們約38萬千米的月球,月球上有很多環(huán)形山和月海,然而我們?cè)诘厍蛏嫌猛h(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)只能看到一半的月球,月球的另一半對(duì)于地球的我們來說是神秘而不可見的。

(3) 從月球沿黃道面垂直上升,將太陽系盡收眼底;認(rèn)識(shí)天文單位AU；最后,太陽系被拋在后面,顯示從“天文單位”變?yōu)椤肮饽辍薄?隨著視野越來越廣,銀河系內(nèi)的恒星最終會(huì)進(jìn)入視野,特別是在夜晚郊外肉眼就可以看到的亮星(牛郎星、織女星等),如圖1中c、d所示。解說詞:我們繼續(xù)遠(yuǎn)行,俯瞰整個(gè)太陽系,可以看到我們熟悉的太陽、行星，還有小行星帶。我們將太陽到地球的平均距離定義為天文單位,天文單位通常被用來計(jì)量天體距離。

(4) 離開太陽系鄰近區(qū)域,沿銀道面垂直上升,可以看到銀河系內(nèi)的恒星,展現(xiàn)銀河系全景:直徑約為10萬光年, 厚度是1000光年。 我們的星系——銀河系,旋渦星系之一,呈現(xiàn)在我們面前,如圖1中e所示。解說詞:現(xiàn)在我們離開太陽系,去探索更加深遠(yuǎn)的宇宙,我們可以看到我們的太陽系所處的銀河系全景。

(5) 告別銀河系,尺度繼續(xù)縮小。周圍開始出現(xiàn)球狀星團(tuán)、大小麥哲倫星云和矮星系等。在觀察銀河系附近的星系團(tuán)的同時(shí)繼續(xù)縮小,逐漸銀河系逐漸成為一個(gè)點(diǎn),附近的仙女座星系等逐漸進(jìn)入視野,如圖1中f、g所示。解說詞:我們的太陽系處在銀河系中,銀河系周圍有許多跟銀河系類似的星系,比如大小麥哲倫云、仙女星系等。

圖1 宇宙尺度實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

當(dāng)進(jìn)一步縮小時(shí),可以看到一簇星系團(tuán)的絲狀結(jié)構(gòu), 這是由斯隆數(shù)字巡天(SDSS)獲得的大尺度宇宙結(jié)構(gòu),如圖1中h所示。解說詞:白色的區(qū)域是我們目前可以觀測(cè)到的地方,宇宙何其浩瀚,我們所了解的不過是冰山一角。

(6) 最后可以看到宇宙微波背景輻射(CMB)的分布。宇宙微波背景輻射是源自宇宙大爆炸的殘余輻射,它現(xiàn)在正以2.7K的無線電波彌漫著整個(gè)宇宙。 空間衛(wèi)星“COBE”“WMAP”和“ Planck”對(duì)它的詳細(xì)觀測(cè)給我們呈現(xiàn)出了一幅壯觀的宇宙圖景,如圖1中i圖所示。解說詞:這個(gè)大圓球便是我們旅程的終點(diǎn),是目前能夠探測(cè)到的全部的宇宙。

選擇以光速或超光速返回地球。解說詞:抵達(dá)了最遠(yuǎn)的地方之后,我們開始返航。我們回到了銀河系,回到了太陽系。最后回到了我們熟悉的地球,圓滿地結(jié)束了本次旅程。

演示結(jié)束后,使用者可以使用VR控制手柄,對(duì)自己感興趣的部分進(jìn)行細(xì)致查看:可以蹲下或站起來看到土星環(huán)的正面或看到背面；可以看到衛(wèi)星落在木星表面的陰影；可以追蹤行星探險(xiǎn)家的軌道；通過反復(fù)放大和縮小,還可以掌握太陽附近恒星之間的距離以及由宇宙的星系和超空間創(chuàng)造的宇宙的大結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

天文學(xué)科研究對(duì)象的宏大尺度超出人們的日常經(jīng)驗(yàn),無法像物理、化學(xué)一樣近距離觀測(cè),是人們不能很好地了解天文的重要因素之一。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性能實(shí)現(xiàn)天文學(xué)習(xí)者最需要的沉浸感和自由探索功能,將抽象的天文知識(shí)用VR技術(shù)向人們展示出來,使人們有一種身臨其境的感覺,加深人們對(duì)天文知識(shí)的了解。

VR視角下的宇宙尺度體驗(yàn)課件包含完整的宇宙空間場(chǎng)景,交互設(shè)計(jì),知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)合理。其優(yōu)點(diǎn)如下:以VR形式來呈現(xiàn)天文真實(shí)距離,讓用戶正確認(rèn)識(shí)星體大小和距離之間的比例關(guān)系；利用VR的沉浸式效果,讓使用者獲得直觀的宇宙漫游體驗(yàn)；將抽象陌生的天文距離概念以星際旅行的方式加以體驗(yàn),加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

綜上,用VR設(shè)備進(jìn)行天文教學(xué)有非常大的優(yōu)勢(shì),我們將以此類項(xiàng)目建設(shè)為契機(jī),建立并實(shí)踐天文教育中的VR應(yīng)用理論,將VR+天文應(yīng)該具有的成本低、可拓展、普遍性的主要特征具體化,為VR在天文教學(xué)和科普教育的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

這也將是我們下一步申請(qǐng)建設(shè)完整的VR虛擬天象廳的理論依據(jù)。