基于VR的天文科普教育系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：當(dāng)今隨著人們對(duì)宇宙的不斷探索，越來越多的人們開始著迷于浩瀚而又神秘的宇宙，但是當(dāng)前人們對(duì)于天文知識(shí)的獲取途徑卻十分有限，比如查閱資料，專業(yè)人士通過模型模擬還有就是通過天文望遠(yuǎn)鏡觀察，這些途徑在形式上不僅無聊而且無法為人們展現(xiàn)一個(gè)完整的宇宙體系全貌，所以效果甚微。本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，并在Unreal Engine 4中搭建場(chǎng)景，對(duì)宇宙環(huán)境以及行星運(yùn)動(dòng)的模擬，高度還原宇宙中的實(shí)際場(chǎng)景，以一種更為直觀的方式讓人們?nèi)W(xué)習(xí)天文方面的知識(shí)。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)天文教學(xué)應(yīng)用

　　《天文愛好者》雜志由中國天文學(xué)會(huì)、北京天文館聯(lián)合主辦，是目前中國唯一一本公開發(fā)行的專業(yè)天文科普刊物，系中國科協(xié)所屬優(yōu)秀科普期刊。

　　1概述

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為當(dāng)代新興的關(guān)鍵科技之一，其在各行各業(yè)以及各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣闊的應(yīng)用。多年來，其逐漸也開始成為我們獲取知識(shí)的一種途徑，且通過這種方式我們可以更加直觀有效地獲取我們想要了解的相關(guān)知識(shí)。

　　“紙上得來中覺淺，絕知此事要躬行”，獲取知識(shí)的最好方法就是親身去體驗(yàn)它，在實(shí)踐中探知問題的答案，但是對(duì)于天文等知識(shí)，有其特殊性，在現(xiàn)實(shí)生活中很難能到真實(shí)的宇宙環(huán)境中去感受，所以本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)對(duì)宇宙以及各個(gè)行星進(jìn)行模擬，在計(jì)算機(jī)中搭建一個(gè)宇宙環(huán)境并在這個(gè)環(huán)境中通過多種形式為大家展示多種天文現(xiàn)象，人們可以通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)眼睛在這個(gè)場(chǎng)景中了解這些天文現(xiàn)象的原因。

　　本項(xiàng)目主要展示的是太陽系中的各種天文現(xiàn)象，項(xiàng)目主要中利用3D Max來創(chuàng)建模型，使用Unreal Engine 4引擎技術(shù)和HTCvive硬件設(shè)備，為增強(qiáng)教學(xué)效果，開發(fā)具有沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)天文教學(xué)系統(tǒng)。

　　2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用天文教育的優(yōu)勢(shì)

　　天文科普教育作為一門從小學(xué)就開始的學(xué)科，但是對(duì)于大多數(shù)的人來說，天文學(xué)時(shí)神秘的且抽象的。目前主要的天文教育形式還主要是投影儀、視頻、圖片等二維的方式，這存在一定的局限性，且不利有人們的理解。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)適用于三維形態(tài)的直觀表現(xiàn)，可以搭建具有良好交互性的學(xué)習(xí)情景，它可以把教學(xué)的內(nèi)容變得簡單、有趣且易于理解，如：虛擬現(xiàn)實(shí)可以將天文中的一些抽象的概念再現(xiàn)出來，是這些概念便的直觀化，便于人們的理解。虛擬現(xiàn)實(shí)還具有一定的沉浸感，使人們樂于去使用和接受，能極大地提高學(xué)習(xí)的樂趣。

　　3基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的天文教學(xué)科普系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以太陽系中的行星為例子，在實(shí)際科普教育中，首先為用戶展現(xiàn)整個(gè)太陽系的全貌，即實(shí)現(xiàn)八大行星以太陽為中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)的效果，在這里用戶可以通過特點(diǎn)按鍵導(dǎo)出選擇菜單，當(dāng)觸碰到選擇菜單上的碰撞盒后就會(huì)觸發(fā)一個(gè)事件，可以將用戶的攝像機(jī)類傳到相對(duì)應(yīng)的星體附近，并且會(huì)展示出以一個(gè)提示板，通過文字和模型動(dòng)畫多種方式來介紹此行星。當(dāng)用戶選擇地球后，并通過觸發(fā)特定的事件進(jìn)入到日食產(chǎn)生或者月相變化的場(chǎng)景中。

　　4關(guān)鍵技術(shù)

　　通過3dmax建模、UE4引擎、HTC vive硬件設(shè)備開發(fā)系統(tǒng)流程如圖2，首先考察了解人們最希望了解的天文現(xiàn)象，根據(jù)考察的結(jié)果進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)通過參考大量行星圖片及介紹進(jìn)行三維可視化建模，大量模型、貼圖是場(chǎng)景的基礎(chǔ)，其直接影響了用戶的體驗(yàn)感，因此模型、貼圖的合理制作時(shí)開發(fā)中的重要過程;然后將完成的模型導(dǎo)人到UE4引擎中，開發(fā)交互工能，完成系統(tǒng)的開發(fā)，最后接入硬件設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，無漏洞后打包完成。

　　4.1主要場(chǎng)景概述

　　場(chǎng)景一：太陽系概述

　　在此場(chǎng)景中的虛擬“宇宙”中搭建出太陽系的場(chǎng)景，即實(shí)現(xiàn)八大行星以太陽為中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)的效果，用戶可根據(jù)按鍵來選擇希望了解的行星的知識(shí)，其中包括水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星，用戶可以很直觀的了解到各行星的具體樣貌，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期以及它們相互之間的體積比較。

　　場(chǎng)景二：日食產(chǎn)生的原因

　　在此場(chǎng)景中，開始主要是通過動(dòng)畫配備文字的形式為直觀地介紹了產(chǎn)生日食的主要原因以及在日食發(fā)生時(shí)太陽，月球，地球三者之間的關(guān)系。在該場(chǎng)景的第二部分，將用戶攝像頭移動(dòng)到地球的上空，使用動(dòng)畫顯示日食發(fā)生時(shí)的光路圖，可以以地球視角去觀察日食發(fā)生時(shí)的整個(gè)過程。

　　場(chǎng)景三：月相變化及其原因

　　月相的產(chǎn)生就是月球被太陽照射的部分，該場(chǎng)景呈現(xiàn)在地球上的某一地點(diǎn)，通過動(dòng)畫表現(xiàn)某個(gè)月相月亮在場(chǎng)景上空移動(dòng)，在此月相移動(dòng)的同時(shí)，用戶攝像機(jī)前會(huì)產(chǎn)生地球，月亮，太陽三者位置關(guān)系的模型，并使用文字的形式解釋新月、殘?jiān)隆M月等月相的樣貌，時(shí)間以及產(chǎn)生這種樣貌時(shí)地球、太陽和月亮三者之間的位置關(guān)系。4 .2.軟件功能的實(shí)現(xiàn)

　　為了盡最大限度的貼近于真實(shí)，我們按照真實(shí)的比例在系統(tǒng)中模擬了各星體的體積、自轉(zhuǎn)角度、相互間的距離、自轉(zhuǎn)方向和速度以及公轉(zhuǎn)方向和速度。且將每個(gè)行星都設(shè)計(jì)成藍(lán)圖類，將每個(gè)行星及其一系列屬性封裝起來，其中包括了各個(gè)行星的大小，材質(zhì)以及其公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)等屬性，以方便整體的設(shè)計(jì)和管理。

　　在場(chǎng)景中設(shè)置了大量的Collision碰撞盒，實(shí)時(shí)檢測(cè)碰撞盒的碰撞信息，當(dāng)檢測(cè)到用戶手柄模型與碰撞盒接觸時(shí)，會(huì)觸發(fā)程序，執(zhí)行相應(yīng)事件。在模型上加上Pick_up藍(lán)圖接口，當(dāng)扣下扳機(jī)鍵，可將模型變?yōu)榭勺ト〉摹?/p>

　　系統(tǒng)開發(fā)完畢后，編輯模式可以使用VR Preview模式預(yù)覽VR項(xiàng)目，但打包項(xiàng)目，使其并不能自動(dòng)啟用VR模式運(yùn)行，添加Execute Console command節(jié)點(diǎn)可解決該問題用UE4的一鍵打包，生成可執(zhí)行文件。

　　4總結(jié)與展望

　　使用虛擬現(xiàn)實(shí)可擺脫傳統(tǒng)的教學(xué)模式，各種知識(shí)將不僅僅局限在二維的書本、圖片或視頻中，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬出各種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，將抽象的事物具體化，更易于人們的接受和理解。在虛擬現(xiàn)實(shí)天文中，能大部分人不可觸碰的宇宙，以游戲的形式展現(xiàn)在人們眼前，不僅有利于人們對(duì)天文理解還有利于提高人們的學(xué)習(xí)熱情。

　　我相信，隨著人們對(duì)宇宙的不斷探索，人們對(duì)宇宙星空的求知欲將越來越強(qiáng)，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的天文科普教育將會(huì)成為人們獲取天文知識(shí)的最有效途徑之一。

　　參考文獻(xiàn)

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