虚拟现实视角下的宇宙尺度体验设计

张文昭, 高 健, 高子豪, 余 恒, 刘 康, 黄 元, 王钰溪

(1. 北京师范大学 天文系, 北京 海淀 100875； 2. 北京师范大学 翰德学院, 北京 海淀 100875)

虚拟现实(VR)能够提供沉浸式体验的软件,能实现虚拟视觉、人机交互、仿真和实验等功能[1]。近年来,VR技术和设备发展迅猛,除被广泛应用在游戏、媒体、设计、工业制造等领域外[2-4],也在教育领域中兴起。国内VR+教育应用起步并主要体现在虚拟仿真校园,同时也正在向远程教育基础平台建设方向发展[5]。VR技术已广泛应用于国内高校的课堂教学和实验操作方面[6]。

对天文学科来说,在VR技术出现之前最好的可视化设备是球幕天象投影和球幕电影[7-10]。但这类设备始终受到场馆数量少、观众容纳量小、节目成本高的制约,无法大范围推广。VR设备完全可以借助VR软件打造个人天象厅,将最新天文发现和现代宇宙观念呈现到更广泛的受众眼前。

本文以日本国立天文台开发的支持VR技术的天象厅软件Mitaka为例,设计了宇宙尺度体验的VR天文课件,促进信息技术与天文教学的深度融合,构建数据驱动的天文教育和科学普及。

1 虚拟天象厅特点

现阶段,VR技术的实现一般可以通过3种不同的HMD[11]:一体式头显设备(俗称一体机VR)、外接式头显设备(也称为PC端VR)、移动端VR(又称手机盒子)(见表1)。其中,PC端VR硬件技术相对成熟,配套软件带来的体验感最出色；移动端VR虽然在价格和便携感占有优势,但是体验感并未真正达到“虚拟现实”感觉；一体机VR介于两者之间,将会是VR发展的趋势。

表1 VR输出设备对比

基于一体机开发的虚拟天象厅是主要的VR天文类应用。传统天象厅常建于博物馆和科技馆等科普中心,利用圆顶、投影等技术展示教学、娱乐类天象节目,有时也用于宇航探索训练。虚拟天象厅经历了从PC桌面端/手机端到HMD端的过程,已基本具备同实体天象厅相当的视觉、听觉效果,其具有经济性、拓展性、普适性、交互性[12]和沉浸感[13]5大特点:

(1) 经济性。传统天象厅的场馆不仅建设复杂,空间要求巨大,造价一般都在百万量级,后期为购买能够播放的球幕节目也需要大量经费。当前相对高端的PC端VR头显一般为2万元一套。在不需要学生自主操作的情况下,只增加VR头显就能让更多学生观看到天象节目。随着VR硬件技术的发展,提供更高视觉体验和更多交互操作的VR设备价格还会下降。就降低成本而言,开发VR节目难度更低、周期更短、更容易形成规模、降低成本。当前Viveport平台上最昂贵的VR天文产品,时长25 min、360°、4k全景电影“We Are Stars”价格仅为36元,远低于平均100元的天文馆门票。对于学校或者科普场馆来说,购入一批VR设备相比于修建一个数字化天象厅,无疑要更加合适。

(2) 拓展性。从技术层面看,先进的3D游戏、3D动画开发为VR应用提供大量的实践和理论基础,而互联网环境能够保证产品低成本地推广和向体系发展。从天文教学理论看,随着高校对教学和研究的重视,更多的现代化天文教学模式出现将产生更多产品需求,而更多的需求又会反过来刺激VR技术的向前发展,进入一个良性循环。届时,VR虚拟天象厅将成为VR天文应用开发的基础平台或课件开发平台,可以根据不同教学需要在虚拟宇宙系统开发专项课件。

(3) 普适性。VR虚拟天象厅具有强大的展示功能,能够突破地域、天气等外界环境制约,低成本地呈现直观的天文概念。相对于城市中无处不在的光污染,即使晴天夜晚也看不到几颗星星的情况,VR虚拟天象厅给了人们一片干净的天空。想象一下,一条绚丽的银河横挂在漆黑的天空背景上,无数的星星向你眨着眼睛。这种只有在远离城市几百千米的郊外才能看到的情景,VR虚拟天象厅随时随地可以展示给您看。

(4) 交互性。传统天象厅只能让人们被动地接受知识的“输入”,缺乏自由探索、探究的过程,不利于激发人们的好奇心与探知欲望。VR虚拟天象厅既可以进行多人交互、共同学习、共同研究,也提倡自主探索。学习者有较高的自由度,可以对自己感兴趣的知识进行深入探索,并且可以与系统进行交互,增加对天文的兴趣。

(5) 沉浸感。相比于传统天象厅的球面模式,VR虚拟天象厅使用户能够直接处于三维星空中,给用户展现全景视图、3D视图,可以带给用户强烈的临场感和沉浸感,利于激发用户的学习兴趣。

综上,当前的VR虚拟天象厅相比于传统的天象厅,具有经济性、拓展性等5大特点,除了可以用低成本覆盖原有天象厅节目外,还能够基于虚拟星空开发更具深度、广度的天文教学课件,适用于学生进行自主探索,自主学习。另外,感官效果上也可以带给用户与球面模式完全不同的沉浸感,激发其学习、探索的兴趣。

2 虚拟天象厅软件Mitaka简介

现在世界范围内VR天文应用开始流行,它们功能各异,各自有各自的特色。经过调查研究和测试、实践,主流的天象厅软件有Star Chart 、Mitaka[14]、WWT和Stellarium等。Star Chart是开发商Escapist Games从PC端移植过来的一款天文模拟软件,其内容简单、固定,更偏向一款游戏而不是教学软件,不具有二次开发的功能。Stellarium和WWT在PC版本的基础上提供了VR插件,使之能够支持VR模式,但并没有在VR模式上开发新的功能,显示上只支持手机盒子模式,相对简陋,VR技术最突出的沉浸感不够强烈,并且也不支持二次开发。

目前最佳支持VR模式的有Mitaka,它是由日本国立天文台加藤恒彦开发的一款天文软件,是基于太阳系/星系数据的“四维数字空间观察器”[15]。 它在三维空间中添加“时间”,用“四维”模拟外层空间,并对其进行可视化,可以从地球表面自由移动到宇宙的大尺度结构,看到各种天文观测数据和天文学理论模型。它旨在将天文学的最新成果以一种“易于理解,有趣和科学正确的视频表达方式”传达给普通大众,通过超级计算机处理望远镜的观测数据和模拟数据以获取最新的宇宙绘制图像。

Mitaka最新VR版本1.4.3a于2018年4月发布。新版本既支持能应用在天象厅环境的Dome模式(全景模式或鱼眼模式),也支持VR模式(支持普及率较高的HTC VIVE和Oculus两种VR头戴设备)[16]。

相比于其他天文软件,Mitaka具有以下优点与特色:

(1) 支持多国语言(包含中文),普及的范围更广,用户更多。

(2) 及时更新重要的天文事件以及天文数据,例如“卡西尼号”飞跃火星、根据ESA Gaia航天器获得的11亿颗恒星的位置和大小数据创建的银河纹理贴图等。

(3) 物理模型更加真实,更加科学。例如:航天器的三维模型,月球、大行星、土星的光环都是基于更加真实的光散射物理模型显示的；通过引入一种称为法线贴图方法的特殊技术,更加忠实地绘制月球和太空船。

(4) 可自定义现场表演和屏幕选单设置,通过简单的脚本控制Mitaka Plus的所有功能。 如自定义GUI、自定义选单和工具栏、通过键盘和游戏杆和3D屏幕菜单的快捷键、自定义Mitaka Plus的初始状态、存储/恢复当前状态等。

(5) 可以设置时间及演示步长,以便看不同时间的天体位置(包含日月食现象)。

(6) 自由飞行模式。可以设置观测点并使视角随着观测点的移动而移动。这样,不仅可以从地面看到星空,还可以在太空中移动,可以飞到宇宙的尽头,也可以飞到地球的上空。 在地球上空可以找到任何一个点降落,在那一个地方看星星。

(7) 提供地球、月球、火星地形高程资料下载。

(8) 正式发布的VR版“Mitaka”可以与 “Oculus Rift”和“HTC Vive”等主流VR头盔兼容,并使用对应的控制器进行操作。支持虚拟现实(VR)耳机,使人们可以享受虚拟现实的独特体验,例如360°四面八方传播的宇宙、行星、星系和“探索者飞船”逐渐接近等。

(9) 低版本1.3.2支持MIT开源协议。MIT是史上最为简洁和慷慨的开源协议之一,后续开发者只需要在发行版里包含原许可协议的声明,就可以根据自己的需要,开发出符合自己要求的新版本。

虽然Mitaka仍有不足,如:改变观演地点比较麻烦(Mitaka软件缺省观演地点为三鹰市(Mitaka),即日本国立天文台总部所在城市)，改变观演地点需要修改程序内部的位置信息文件,不能直接在软件界面进行选择和改变；只能显示半球,地平线以下不能显示；新版本暂不支持开源,不支持插件等。考虑Mitaka的VR支持特色,因此选取它作为构建我们VR天文课件的软件系统基础。

3 利用Mitaka设计VR视角下的宇宙尺度体验课件

3.1 软硬件要求

通过开发、测试和使用,我们推荐主要软硬件配置如下:

(1) 头盔显示设备使用Oculus Rife CV1,或者HTC vive,或同品牌性能更高者；

(2) 项目软件基于Unity3D或Unreal平台进行开发；

(3) 最终发布的软件可在windows 7(及更高的版本)上独立运行。

3.2 脚本设计

宇宙浩瀚无垠,空间尺度之大(亿光年量级)远远超出人类日常经验。长距离的空间旅行在目前还看不到实现的可能。因此,只能借助虚拟现实技术来帮助人们理解这些天文距离的含义,对太阳系乃至宇宙的结构形成感性认识。我们使用虚拟现实技术根据真实天文数据来构建一个真实比例的三维空间,用户可以在其中漫游,在不同尺度上观察太阳系、银河系乃至宇宙的大尺度结构,从而对宇宙中各级天体的相对位置和尺度具有感性的认识。

Mitaka有着比较丰富的快捷按钮,因此根据课件设计内容来记录演示操作并完成脚本的编写,最后运行脚本即可自动进行Mitaka的VR课件演示。后期再搭配配音即可完成课件的制作。演示课件主要场景如下:

(1) 从地球表面上升,穿过大气到达同步轨道,纵览地球全貌,如图1中a所示。解说词:各位同学大家好,欢迎大家跟随我一同探索神秘的星空世界。现在的我们正站在日本三鹰天文台仰望星空,我们可以看到许多熟悉的老朋友,比如北极星、天狼星、月球等；现在我们离开地球,开始远航。

(2) 呈现地球月球之间的真实比例和漫长距离,如图1中b所示。解说词:第一站我们来到了距离我们约38万千米的月球,月球上有很多环形山和月海,然而我们在地球上用望远镜永远只能看到一半的月球,月球的另一半对于地球的我们来说是神秘而不可见的。

(3) 从月球沿黄道面垂直上升,将太阳系尽收眼底;认识天文单位AU；最后,太阳系被抛在后面,显示从“天文单位”变为“光年”。 随着视野越来越广,银河系内的恒星最终会进入视野,特别是在夜晚郊外肉眼就可以看到的亮星(牛郎星、织女星等),如图1中c、d所示。解说词:我们继续远行,俯瞰整个太阳系,可以看到我们熟悉的太阳、行星，还有小行星带。我们将太阳到地球的平均距离定义为天文单位,天文单位通常被用来计量天体距离。

(4) 离开太阳系邻近区域,沿银道面垂直上升,可以看到银河系内的恒星,展现银河系全景:直径约为10万光年, 厚度是1000光年。 我们的星系——银河系,旋涡星系之一,呈现在我们面前,如图1中e所示。解说词:现在我们离开太阳系,去探索更加深远的宇宙,我们可以看到我们的太阳系所处的银河系全景。

(5) 告别银河系,尺度继续缩小。周围开始出现球状星团、大小麦哲伦星云和矮星系等。在观察银河系附近的星系团的同时继续缩小,逐渐银河系逐渐成为一个点,附近的仙女座星系等逐渐进入视野,如图1中f、g所示。解说词:我们的太阳系处在银河系中,银河系周围有许多跟银河系类似的星系,比如大小麦哲伦云、仙女星系等。

图1 宇宙尺度实验场景设计

当进一步缩小时,可以看到一簇星系团的丝状结构, 这是由斯隆数字巡天(SDSS)获得的大尺度宇宙结构,如图1中h所示。解说词:白色的区域是我们目前可以观测到的地方,宇宙何其浩瀚,我们所了解的不过是冰山一角。

(6) 最后可以看到宇宙微波背景辐射(CMB)的分布。宇宙微波背景辐射是源自宇宙大爆炸的残余辐射,它现在正以2.7K的无线电波弥漫着整个宇宙。 空间卫星“COBE”“WMAP”和“ Planck”对它的详细观测给我们呈现出了一幅壮观的宇宙图景,如图1中i图所示。解说词:这个大圆球便是我们旅程的终点,是目前能够探测到的全部的宇宙。

选择以光速或超光速返回地球。解说词:抵达了最远的地方之后,我们开始返航。我们回到了银河系,回到了太阳系。最后回到了我们熟悉的地球,圆满地结束了本次旅程。

演示结束后,使用者可以使用VR控制手柄,对自己感兴趣的部分进行细致查看:可以蹲下或站起来看到土星环的正面或看到背面；可以看到卫星落在木星表面的阴影；可以追踪行星探险家的轨道；通过反复放大和缩小,还可以掌握太阳附近恒星之间的距离以及由宇宙的星系和超空间创造的宇宙的大结构。

4 结语

天文学科研究对象的宏大尺度超出人们的日常经验,无法像物理、化学一样近距离观测,是人们不能很好地了解天文的重要因素之一。虚拟现实技术的特性能实现天文学习者最需要的沉浸感和自由探索功能,将抽象的天文知识用VR技术向人们展示出来,使人们有一种身临其境的感觉,加深人们对天文知识的了解。

VR视角下的宇宙尺度体验课件包含完整的宇宙空间场景,交互设计,知识点呈现合理。其优点如下:以VR形式来呈现天文真实距离,让用户正确认识星体大小和距离之间的比例关系；利用VR的沉浸式效果,让使用者获得直观的宇宙漫游体验；将抽象陌生的天文距离概念以星际旅行的方式加以体验,加深学生对知识的理解。

综上,用VR设备进行天文教学有非常大的优势,我们将以此类项目建设为契机,建立并实践天文教育中的VR应用理论,将VR+天文应该具有的成本低、可拓展、普遍性的主要特征具体化,为VR在天文教学和科普教育的应用提供理论指导。

这也将是我们下一步申请建设完整的VR虚拟天象厅的理论依据。