皮章鋒　王峰

摘要：當(dāng)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(dāng)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(yè)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(xiàn)一個完整的宇宙體系全貌，所以效果甚微。本文利用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)，并在Unreal Engine 4中搭建場景，對宇宙環(huán)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?nèi)W(xué)習(xí)天文方面的知識。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實天文教學(xué)應(yīng)用

1概述

虛擬現(xiàn)實技術(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。

“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(xiàn)實生活中很難能到真實的宇宙環(huán)境中去感受，所以本文利用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)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(huán)境并在這個環(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)實眼睛在這個場景中了解這些天文現(xiàn)象的原因。

本項目主要展示的是太陽系中的各種天文現(xiàn)象，項目主要中利用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，為增強教學(xué)效果，開發(fā)具有沉浸式的虛擬現(xiàn)實天文教學(xué)系統(tǒng)。

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

天文科普教育作為一門從小學(xué)就開始的學(xué)科，但是對于大多數(shù)的人來說，天文學(xué)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(xiàn)實技術(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)實技術(shù)的天文教學(xué)科普系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)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(xiàn)整個太陽系的全貌，即實現(xiàn)八大行星以太陽為中心進行公轉(zhuǎn)的效果，在這里用戶可以通過特點按鍵導(dǎo)出選擇菜單，當(dāng)觸碰到選擇菜單上的碰撞盒后就會觸發(fā)一個事件，可以將用戶的攝像機類傳到相對應(yīng)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(dāng)用戶選擇地球后，并通過觸發(fā)特定的事件進入到日食產(chǎn)生或者月相變化的場景中。

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)果進行場景設(shè)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(chǔ)，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(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)備對系統(tǒng)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(xiàn)八大行星以太陽為中心進行公轉(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，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。

場景二：日食產(chǎn)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(chǎn)生日食的主要原因以及在日食發(fā)生時太陽，月球，地球三者之間的關(guān)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(fā)生時的光路圖，可以以地球視角去觀察日食發(fā)生時的整個過程。

場景三：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，該場景呈現(xiàn)在地球上的某一地點，通過動畫表現(xiàn)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(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、殘月、滿月等月相的樣貌，時間以及產(chǎn)生這種樣貌時地球、太陽和月亮三者之間的位置關(guān)系。4 .2.軟件功能的實現(xiàn)

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(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。且將每個行星都設(shè)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(zhì)以及其公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的實現(xiàn)等屬性，以方便整體的設(shè)計和管理。

在場景中設(shè)置了大量的Collision碰撞盒，實時檢測碰撞盒的碰撞信息，當(dāng)檢測到用戶手柄模型與碰撞盒接觸時，會觸發(fā)程序，執(zhí)行相應(yīng)事件。在模型上加上Pick_up藍圖接口，當(dāng)扣下扳機鍵，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(jié)點可解決該問題用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)實可擺脫傳統(tǒng)的教學(xué)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(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實天文中，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(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)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

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