地球和太空可視化軟件輔助交互式教育

Programs Visualize Earth and Space for Interactive Education

受益于美國國家航空航天局（NASA）與其它部門合作開發(fā)的新技術，人們現(xiàn)在可以方便地看到世界各地甚至宇宙中的景色了。例如，僅需輕點幾下鼠標，NASA的“看地球”（Eyes on the Earth）網(wǎng)絡應用軟件就可以帶我們像在地球衛(wèi)星上飛翔一樣觀看地球的景色；“看太陽系”（Eyes on the Solar System）軟件則能讓我們感覺像是在太陽系中遨游，并可以隨時駐足在所看到的星球或者飛船上；“看外星系”（Eyes on Exoplanets）則可以讓我們近距離地觀察銀河系中太陽系外的其它星球。而這些畫面在過去只能靠想象。

故事始于2004年。NASA噴氣推進實驗室可視化技術應用與開發(fā)部的經(jīng)理凱文?赫西與同事聊天時，這位同事說：“如果在飛船探索太空時，我們能隨著飛船看到太空未知的世界，會不會很酷？” 凱文?赫西立刻被這一想法所吸引。他開始與實驗室的其他同事合作，開發(fā)這種軟件的原型，稱為“DirectX 9”，用以實時展示首個進入土星軌道的飛船——“卡西尼”探測器上觀測到的景象。不久之后，凱文?赫西的團隊采用一款名為“Unity3D”的游戲開發(fā)程序創(chuàng)建了視頻游戲風格的內容，以增強可視化效果，并融入了程序交互功能。在成功開發(fā)出“卡西尼土星”交互探險軟件后，凱文?赫西接到了新的開發(fā)需求，首先是要將地球周圍的飛船都囊括進去，然后是太陽系的飛船。

經(jīng)過近10年的發(fā)展，目前，凱文?赫西的團隊已擁有12名成員，專業(yè)開發(fā)探索太空的新途徑。在“好奇”號火星探測器著陸火星期間，在3天的時間里，世界各地約有120萬名訪客登錄“看太陽系”軟件，而在2013年小行星DA14掠過地球時，有35萬名用戶登錄了“看地球”軟件，8.4萬人登錄了“看太陽系”軟件。

這些軟件擁有許多奇特的功能，其中之一是能夠實時展示太空場景。利用飛船上獲得的信息，該團隊采用游戲引擎技術來展示實時發(fā)生的事情。例如，對于“好奇”號火星探測器來說，該實時可視化軟件基于預測的遙測技術，展示的“好奇”號火星探測器著陸場景與實際僅有不到1s的誤差。

2008年“看地球”軟件開發(fā)完成后，凱文?赫西接受了幫助重新設計噴氣推進實驗室的管理大廳的任務。他的第一個想法就是利用投影圖像來創(chuàng)造一種太空體驗。于是，他在網(wǎng)上查找了能幫他實現(xiàn)這個想法的公司，最終找到了領英（Elumenati）公司。

凱文?赫西與領英公司取得了聯(lián)系，并與領英公司通訊部的主管希拉里?麥克維克爾進行了交談。希拉里?麥克維克爾介紹了領英公司創(chuàng)造浸入式環(huán)境的軟硬件產(chǎn)品。其中，領英公司的光學專利產(chǎn)品可在任意形狀和尺寸的超寬屏幕上投影圖像、視頻和交互內容，包括可營造天文館體驗感的全封閉拱形結構，可模擬飛行和行星表面探索的全景裝置等。這些技術使得浸入式環(huán)境能非常有效地創(chuàng)造學習、合作對話的空間，以及良好的效果。

盡管凱文?赫西負責的噴氣推進實驗室管理大廳項目最終被取消了，但他們與領英公司的合作得以延續(xù)。凱文?赫西的團隊與領英公司合作，基于領英公司Unity3D的Omnity插件改進了“看地球”和“看太陽系”軟件，使其能夠在拱頂和球體上進行內容的交互展示。

2009年，領英公司將其改進的NASA軟件在美國科學技術中心協(xié)會的年會上進行了展示，參與者利用視頻游戲手柄可在領英公司制造的地球拱頂上控制“看地球”軟件的操作，實現(xiàn)與軟件的互動。

從噴氣推進實驗室獲得軟件的授權之后，領英公司開始向不同的客戶提供不同版本的產(chǎn)品。目前，已有30多家客戶采用領英公司的地球拱頂網(wǎng)絡來開展互動式地球和太空科學教育，并且使用人數(shù)還在增加。這是一種推廣“看地球”和“看太陽系”軟件的有效方式。

在領英公司從NASA的技術獲益的同時，NASA也從領英公司的技術中獲得了回報。噴氣推進實驗室繼戈達德空間飛行中心和馬歇爾空間飛行中心之后成為第三個購買領英公司地球拱頂來展示教育內容的NASA研究中心。事實上，2009年，戈達德空間飛行中心就已經(jīng)將地球拱頂產(chǎn)品帶到白宮來參加國際天文年的慶典了。

領英公司于2012年啟動了拱頂增強的“看地球”和“看太陽系”產(chǎn)品，其用戶包括學校、博物館、科學中心，以及其它提供地球和太空科學教育的機構。在領英地球拱頂產(chǎn)品中，人們可以獲得NASA任務中收集到的數(shù)據(jù)，并置身于環(huán)形動畫環(huán)境中。利用交互式控制，人們可探索行星、小行星、衛(wèi)星，并可選擇在時空中“飛行”的速度。

在產(chǎn)品正式上市之前，領英公司將NASA的技術融入其“科學全景圖”產(chǎn)品中，參加了北卡羅來納州自然科學博物館自然研究中心的盛大開幕式，觀眾嘆為觀止。該公司“看”系列產(chǎn)品的最初用戶之一——亞利桑那州立大學地球與太空探索學院采用了1塊3.66m的全景觸摸屏幕。領英公司的地球拱頂網(wǎng)絡用戶還可參與“看地球”和“看太陽系”產(chǎn)品的公眾和專業(yè)開發(fā)。（計劃從明尼蘇達州地區(qū)天文館網(wǎng)絡中的13個站點開始。）

NASA的實時數(shù)據(jù)豐富了領英公司的產(chǎn)品類型，拓展了其業(yè)務，也激發(fā)了年輕人投身天文科學研究的熱情。 (楠 譯)