基于VR的天文科普教育系統的設計與實現

　　摘要：當今隨著人們對宇宙的不斷探索，越來越多的人們開始著迷于浩瀚而又神秘的宇宙，但是當前人們對于天文知識的獲取途徑卻十分有限，比如查閱資料，專業人士通過模型模擬還有就是通過天文望遠鏡觀察，這些途徑在形式上不僅無聊而且無法為人們展現一個完整的宇宙體系全貌，所以效果甚微。本文利用虛擬現實的技術，并在Unreal Engine 4中搭建場景，對宇宙環境以及行星運動的模擬，高度還原宇宙中的實際場景，以一種更為直觀的方式讓人們去學習天文方面的知識。

　　關鍵詞：虛擬現實天文教學應用

　　《天文愛好者》雜志由中國天文學會、北京天文館聯合主辦，是目前中國唯一一本公開發行的專業天文科普刊物，系中國科協所屬優秀科普期刊。

　　1概述

　　虛擬現實技術作為當代新興的關鍵科技之一，其在各行各業以及各個領域中都有著廣闊的應用。多年來，其逐漸也開始成為我們獲取知識的一種途徑，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知識。

　　“紙上得來中覺淺，絕知此事要躬行”，獲取知識的最好方法就是親身去體驗它，在實踐中探知問題的答案，但是對于天文等知識，有其特殊性，在現實生活中很難能到真實的宇宙環境中去感受，所以本文利用虛擬現實的技術對宇宙以及各個行星進行模擬，在計算機中搭建一個宇宙環境并在這個環境中通過多種形式為大家展示多種天文現象，人們可以通過佩戴虛擬現實眼睛在這個場景中了解這些天文現象的原因。

　　本項目主要展示的是太陽系中的各種天文現象，項目主要中利用3D Max來創建模型，使用Unreal Engine 4引擎技術和HTCvive硬件設備，為增強教學效果，開發具有沉浸式的虛擬現實天文教學系統。

　　2虛擬現實技術應用天文教育的優勢

　　天文科普教育作為一門從小學就開始的學科，但是對于大多數的人來說，天文學時神秘的且抽象的。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。

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

　　3基于虛擬現實技術的天文教學科普系統的系統設計

　　本系統以太陽系中的行星為例子，在實際科普教育中，首先為用戶展現整個太陽系的全貌，即實現八大行星以太陽為中心進行公轉的效果，在這里用戶可以通過特點按鍵導出選擇菜單，當觸碰到選擇菜單上的碰撞盒后就會觸發一個事件，可以將用戶的攝像機類傳到相對應的星體附近，并且會展示出以一個提示板，通過文字和模型動畫多種方式來介紹此行星。當用戶選擇地球后，并通過觸發特定的事件進入到日食產生或者月相變化的場景中。

　　4關鍵技術

　　通過3dmax建模、UE4引擎、HTC vive硬件設備開發系統流程如圖2，首先考察了解人們最希望了解的天文現象，根據考察的結果進行場景設計通過參考大量行星圖片及介紹進行三維可視化建模，大量模型、貼圖是場景的基礎，其直接影響了用戶的體驗感，因此模型、貼圖的合理制作時開發中的重要過程;然后將完成的模型導人到UE4引擎中，開發交互工能，完成系統的開發，最后接入硬件設備對系統進行測試，無漏洞后打包完成。

　　4.1主要場景概述

　　場景一：太陽系概述

　　在此場景中的虛擬“宇宙”中搭建出太陽系的場景，即實現八大行星以太陽為中心進行公轉的效果，用戶可根據按鍵來選擇希望了解的行星的知識，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，自轉與公轉周期以及它們相互之間的體積比較。

　　場景二：日食產生的原因

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

　　場景三：月相變化及其原因

　　月相的產生就是月球被太陽照射的部分，該場景呈現在地球上的某一地點，通過動畫表現某個月相月亮在場景上空移動，在此月相移動的同時，用戶攝像機前會產生地球，月亮，太陽三者位置關系的模型，并使用文字的形式解釋新月、殘月、滿月等月相的樣貌，時間以及產生這種樣貌時地球、太陽和月亮三者之間的位置關系。4 .2.軟件功能的實現

　　為了盡最大限度的貼近于真實，我們按照真實的比例在系統中模擬了各星體的體積、自轉角度、相互間的距離、自轉方向和速度以及公轉方向和速度。且將每個行星都設計成藍圖類，將每個行星及其一系列屬性封裝起來，其中包括了各個行星的大小，材質以及其公轉與自轉的實現等屬性，以方便整體的設計和管理。

　　在場景中設置了大量的Collision碰撞盒，實時檢測碰撞盒的碰撞信息，當檢測到用戶手柄模型與碰撞盒接觸時，會觸發程序，執行相應事件。在模型上加上Pick_up藍圖接口，當扣下扳機鍵，可將模型變為可抓取的。

　　系統開發完畢后，編輯模式可以使用VR Preview模式預覽VR項目，但打包項目，使其并不能自動啟用VR模式運行，添加Execute Console command節點可解決該問題用UE4的一鍵打包，生成可執行文件。

　　4總結與展望

　　使用虛擬現實可擺脫傳統的教學模式，各種知識將不僅僅局限在二維的書本、圖片或視頻中，使用虛擬現實技術可以模擬出各種真實的實驗場景，將抽象的事物具體化，更易于人們的接受和理解。在虛擬現實天文中，能大部分人不可觸碰的宇宙，以游戲的形式展現在人們眼前，不僅有利于人們對天文理解還有利于提高人們的學習熱情。

　　我相信，隨著人們對宇宙的不斷探索，人們對宇宙星空的求知欲將越來越強，而利用虛擬現實技術實現的天文科普教育將會成為人們獲取天文知識的最有效途徑之一。

　　參考文獻

　　[1]桑利丹，基于虛擬現實技術的天文教學軟件的設計與開發[D].天津師范大學，2018.

　　[2]羌紅，桌面三維虛擬學習環境的設計與實現[D].浙江師范大學，2010.