虛擬現實視角下的宇宙尺度體驗設計

張文昭, 高 健, 高子豪, 余 恒, 劉 康, 黃 元, 王鈺溪

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

虛擬現實(VR)能夠提供沉浸式體驗的軟件,能實現虛擬視覺、人機交互、仿真和實驗等功能[1]。近年來,VR技術和設備發展迅猛,除被廣泛應用在游戲、媒體、設計、工業制造等領域外[2-4],也在教育領域中興起。國內VR+教育應用起步并主要體現在虛擬仿真校園,同時也正在向遠程教育基礎平臺建設方向發展[5]。VR技術已廣泛應用于國內高校的課堂教學和實驗操作方面[6]。

對天文學科來說,在VR技術出現之前最好的可視化設備是球幕天象投影和球幕電影[7-10]。但這類設備始終受到場館數量少、觀眾容納量小、節目成本高的制約,無法大范圍推廣。VR設備完全可以借助VR軟件打造個人天象廳,將最新天文發現和現代宇宙觀念呈現到更廣泛的受眾眼前。

本文以日本國立天文臺開發的支持VR技術的天象廳軟件Mitaka為例,設計了宇宙尺度體驗的VR天文課件,促進信息技術與天文教學的深度融合,構建數據驅動的天文教育和科學普及。

1 虛擬天象廳特點

現階段,VR技術的實現一般可以通過3種不同的HMD[11]:一體式頭顯設備(俗稱一體機VR)、外接式頭顯設備(也稱為PC端VR)、移動端VR(又稱手機盒子)(見表1)。其中,PC端VR硬件技術相對成熟,配套軟件帶來的體驗感最出色；移動端VR雖然在價格和便攜感占有優勢,但是體驗感并未真正達到“虛擬現實”感覺；一體機VR介于兩者之間,將會是VR發展的趨勢。

表1 VR輸出設備對比

基于一體機開發的虛擬天象廳是主要的VR天文類應用。傳統天象廳常建于博物館和科技館等科普中心,利用圓頂、投影等技術展示教學、娛樂類天象節目,有時也用于宇航探索訓練。虛擬天象廳經歷了從PC桌面端/手機端到HMD端的過程,已基本具備同實體天象廳相當的視覺、聽覺效果,其具有經濟性、拓展性、普適性、交互性[12]和沉浸感[13]5大特點:

(1) 經濟性。傳統天象廳的場館不僅建設復雜,空間要求巨大,造價一般都在百萬量級,后期為購買能夠播放的球幕節目也需要大量經費。當前相對高端的PC端VR頭顯一般為2萬元一套。在不需要學生自主操作的情況下,只增加VR頭顯就能讓更多學生觀看到天象節目。隨著VR硬件技術的發展,提供更高視覺體驗和更多交互操作的VR設備價格還會下降。就降低成本而言,開發VR節目難度更低、周期更短、更容易形成規模、降低成本。當前Viveport平臺上最昂貴的VR天文產品,時長25 min、360°、4k全景電影“We Are Stars”價格僅為36元,遠低于平均100元的天文館門票。對于學校或者科普場館來說,購入一批VR設備相比于修建一個數字化天象廳,無疑要更加合適。

(2) 拓展性。從技術層面看,先進的3D游戲、3D動畫開發為VR應用提供大量的實踐和理論基礎,而互聯網環境能夠保證產品低成本地推廣和向體系發展。從天文教學理論看,隨著高校對教學和研究的重視,更多的現代化天文教學模式出現將產生更多產品需求,而更多的需求又會反過來刺激VR技術的向前發展,進入一個良性循環。屆時,VR虛擬天象廳將成為VR天文應用開發的基礎平臺或課件開發平臺,可以根據不同教學需要在虛擬宇宙系統開發專項課件。

(3) 普適性。VR虛擬天象廳具有強大的展示功能,能夠突破地域、天氣等外界環境制約,低成本地呈現直觀的天文概念。相對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,無數的星星向你眨著眼睛。這種只有在遠離城市幾百千米的郊外才能看到的情景,VR虛擬天象廳隨時隨地可以展示給您看。

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

(5) 沉浸感。相比于傳統天象廳的球面模式,VR虛擬天象廳使用戶能夠直接處于三維星空中,給用戶展現全景視圖、3D視圖,可以帶給用戶強烈的臨場感和沉浸感,利于激發用戶的學習興趣。

綜上,當前的VR虛擬天象廳相比于傳統的天象廳,具有經濟性、拓展性等5大特點,除了可以用低成本覆蓋原有天象廳節目外,還能夠基于虛擬星空開發更具深度、廣度的天文教學課件,適用于學生進行自主探索,自主學習。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,激發其學習、探索的興趣。

2 虛擬天象廳軟件Mitaka簡介

現在世界范圍內VR天文應用開始流行,它們功能各異,各自有各自的特色。經過調查研究和測試、實踐,主流的天象廳軟件有Star Chart 、Mitaka[14]、WWT和Stellarium等。Star Chart是開發商Escapist Games從PC端移植過來的一款天文模擬軟件,其內容簡單、固定,更偏向一款游戲而不是教學軟件,不具有二次開發的功能。Stellarium和WWT在PC版本的基礎上提供了VR插件,使之能夠支持VR模式,但并沒有在VR模式上開發新的功能,顯示上只支持手機盒子模式,相對簡陋,VR技術最突出的沉浸感不夠強烈,并且也不支持二次開發。

目前最佳支持VR模式的有Mitaka,它是由日本國立天文臺加藤恒彥開發的一款天文軟件,是基于太陽系/星系數據的“四維數字空間觀察器”[15]。 它在三維空間中添加“時間”,用“四維”模擬外層空間,并對其進行可視化,可以從地球表面自由移動到宇宙的大尺度結構,看到各種天文觀測數據和天文學理論模型。它旨在將天文學的最新成果以一種“易于理解,有趣和科學正確的視頻表達方式”傳達給普通大眾,通過超級計算機處理望遠鏡的觀測數據和模擬數據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月發布。新版本既支持能應用在天象廳環境的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頭戴設備)[16]。

相比于其他天文軟件,Mitaka具有以下優點與特色:

(1) 支持多國語言(包含中文),普及的范圍更廣,用戶更多。

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

(3) 物理模型更加真實,更加科學。例如:航天器的三維模型,月球、大行星、土星的光環都是基于更加真實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,更加忠實地繪制月球和太空船。

(4) 可自定義現場表演和屏幕選單設置,通過簡單的腳本控制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、存儲/恢復當前狀態等。

(5) 可以設置時間及演示步長,以便看不同時間的天體位置(包含日月食現象)。

(6) 自由飛行模式。可以設置觀測點并使視角隨著觀測點的移動而移動。這樣,不僅可以從地面看到星空,還可以在太空中移動,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點降落,在那一個地方看星星。

(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,并使用對應的控制器進行操作。支持虛擬現實(VR)耳機,使人們可以享受虛擬現實的獨特體驗,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開源協議。MIT是史上最為簡潔和慷慨的開源協議之一,后續開發者只需要在發行版里包含原許可協議的聲明,就可以根據自己的需要,開發出符合自己要求的新版本。

雖然Mitaka仍有不足,如:改變觀演地點比較麻煩(Mitaka軟件缺省觀演地點為三鷹市(Mitaka),即日本國立天文臺總部所在城市)，改變觀演地點需要修改程序內部的位置信息文件,不能直接在軟件界面進行選擇和改變；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。考慮Mitaka的VR支持特色,因此選取它作為構建我們VR天文課件的軟件系統基礎。

3 利用Mitaka設計VR視角下的宇宙尺度體驗課件

3.1 軟硬件要求

通過開發、測試和使用,我們推薦主要軟硬件配置如下:

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

(2) 項目軟件基于Unity3D或Unreal平臺進行開發；

(3) 最終發布的軟件可在windows 7(及更高的版本)上獨立運行。

3.2 腳本設計

宇宙浩瀚無垠,空間尺度之大(億光年量級)遠遠超出人類日常經驗。長距離的空間旅行在目前還看不到實現的可能。因此,只能借助虛擬現實技術來幫助人們理解這些天文距離的含義,對太陽系乃至宇宙的結構形成感性認識。我們使用虛擬現實技術根據真實天文數據來構建一個真實比例的三維空間,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構,從而對宇宙中各級天體的相對位置和尺度具有感性的認識。

Mitaka有著比較豐富的快捷按鈕,因此根據課件設計內容來記錄演示操作并完成腳本的編寫,最后運行腳本即可自動進行Mitaka的VR課件演示。后期再搭配配音即可完成課件的制作。演示課件主要場景如下:

(1) 從地球表面上升,穿過大氣到達同步軌道,縱覽地球全貌,如圖1中a所示。解說詞:各位同學大家好,歡迎大家跟隨我一同探索神秘的星空世界。現在的我們正站在日本三鷹天文臺仰望星空,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；現在我們離開地球,開始遠航。

(2) 呈現地球月球之間的真實比例和漫長距離,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,月球上有很多環形山和月海,然而我們在地球上用望遠鏡永遠只能看到一半的月球,月球的另一半對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;認識天文單位AU；最后,太陽系被拋在后面,顯示從“天文單位”變為“光年”。 隨著視野越來越廣,銀河系內的恒星最終會進入視野,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:我們繼續遠行,俯瞰整個太陽系,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量天體距離。

(4) 離開太陽系鄰近區域,沿銀道面垂直上升,可以看到銀河系內的恒星,展現銀河系全景: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,呈現在我們面前,如圖1中e所示。解說詞:現在我們離開太陽系,去探索更加深遠的宇宙,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,尺度繼續縮小。周圍開始出現球狀星團、大小麥哲倫星云和矮星系等。在觀察銀河系附近的星系團的同時繼續縮小,逐漸銀河系逐漸成為一個點,附近的仙女座星系等逐漸進入視野,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 宇宙尺度實驗場景設計

當進一步縮小時,可以看到一簇星系團的絲狀結構, 這是由斯隆數字巡天(SDSS)獲得的大尺度宇宙結構,如圖1中h所示。解說詞:白色的區域是我們目前可以觀測到的地方,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,它現在正以2.7K的無線電波彌漫著整個宇宙。 空間衛星“COBE”“WMAP”和“ Planck”對它的詳細觀測給我們呈現出了一幅壯觀的宇宙圖景,如圖1中i圖所示。解說詞:這個大圓球便是我們旅程的終點,是目前能夠探測到的全部的宇宙。

選擇以光速或超光速返回地球。解說詞:抵達了最遠的地方之后,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,圓滿地結束了本次旅程。

演示結束后,使用者可以使用VR控制手柄,對自己感興趣的部分進行細致查看:可以蹲下或站起來看到土星環的正面或看到背面；可以看到衛星落在木星表面的陰影；可以追蹤行星探險家的軌道；通過反復放大和縮小,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造的宇宙的大結構。

4 結語

天文學科研究對象的宏大尺度超出人們的日常經驗,無法像物理、化學一樣近距離觀測,是人們不能很好地了解天文的重要因素之一。虛擬現實技術的特性能實現天文學習者最需要的沉浸感和自由探索功能,將抽象的天文知識用VR技術向人們展示出來,使人們有一種身臨其境的感覺,加深人們對天文知識的了解。

VR視角下的宇宙尺度體驗課件包含完整的宇宙空間場景,交互設計,知識點呈現合理。其優點如下:以VR形式來呈現天文真實距離,讓用戶正確認識星體大小和距離之間的比例關系；利用VR的沉浸式效果,讓使用者獲得直觀的宇宙漫游體驗；將抽象陌生的天文距離概念以星際旅行的方式加以體驗,加深學生對知識的理解。

綜上,用VR設備進行天文教學有非常大的優勢,我們將以此類項目建設為契機,建立并實踐天文教育中的VR應用理論,將VR+天文應該具有的成本低、可拓展、普遍性的主要特征具體化,為VR在天文教學和科普教育的應用提供理論指導。

這也將是我們下一步申請建設完整的VR虛擬天象廳的理論依據。