基于VR的天文科普教育系统的设计与实现

　　摘要：当今随着人们对宇宙的不断探索，越来越多的人们开始着迷于浩瀚而又神秘的宇宙，但是当前人们对于天文知识的获取途径却十分有限，比如查阅资料，专业人士通过模型模拟还有就是通过天文望远镜观察，这些途径在形式上不仅无聊而且无法为人们展现一个完整的宇宙体系全貌，所以效果甚微。本文利用虚拟现实的技术，并在Unreal Engine 4中搭建场景，对宇宙环境以及行星运动的模拟，高度还原宇宙中的实际场景，以一种更为直观的方式让人们去学习天文方面的知识。

　　关键词：虚拟现实天文教学应用

　　《天文爱好者》杂志由中国天文学会、北京天文馆联合主办，是目前中国唯一一本公开发行的专业天文科普刊物，系中国科协所属优秀科普期刊。

　　1概述

　　虚拟现实技术作为当代新兴的关键科技之一，其在各行各业以及各个领域中都有着广阔的应用。多年来，其逐渐也开始成为我们获取知识的一种途径，且通过这种方式我们可以更加直观有效地获取我们想要了解的相关知识。

　　“纸上得来中觉浅，绝知此事要躬行”，获取知识的最好方法就是亲身去体验它，在实践中探知问题的答案，但是对于天文等知识，有其特殊性，在现实生活中很难能到真实的宇宙环境中去感受，所以本文利用虚拟现实的技术对宇宙以及各个行星进行模拟，在計算机中搭建一个宇宙环境并在这个环境中通过多种形式为大家展示多种天文现象，人们可以通过佩戴虚拟现实眼睛在这个场景中了解这些天文现象的原因。

　　本项目主要展示的是太阳系中的各种天文现象，项目主要中利用3D Max来创建模型，使用Unreal Engine 4引擎技术和HTCvive硬件设备，为增强教学效果，开发具有沉浸式的虚拟现实天文教学系统。

　　2虚拟现实技术应用天文教育的优势

　　天文科普教育作为一门从小学就开始的学科，但是对于大多数的人来说，天文学时神秘的且抽象的。目前主要的天文教育形式还主要是投影仪、视频、图片等二维的方式，这存在一定的局限性，且不利有人们的理解。

　　虚拟现实技术适用于三维形态的直观表现，可以搭建具有良好交互性的学习情景，它可以把教学的内容变得简单、有趣且易于理解，如：虚拟现实可以将天文中的一些抽象的概念再现出来，是这些概念便的直观化，便于人们的理解。虚拟现实还具有一定的沉浸感，使人们乐于去使用和接受，能极大地提高学习的乐趣。

　　3基于虚拟现实技术的天文教学科普系统的系统设计

　　本系统以太阳系中的行星为例子，在实际科普教育中，首先为用户展现整个太阳系的全貌，即实现八大行星以太阳为中心进行公转的效果，在这里用户可以通过特点按键导出选择菜单，当触碰到选择菜单上的碰撞盒后就会触发一个事件，可以将用户的摄像机类传到相对应的星体附近，并且会展示出以一个提示板，通过文字和模型动画多种方式来介绍此行星。当用户选择地球后，并通过触发特定的事件进入到日食产生或者月相变化的场景中。

　　4关键技术

　　通过3dmax建模、UE4引擎、HTC vive硬件设备开发系统流程如图2，首先考察了解人们最希望了解的天文现象，根据考察的结果进行场景设计通过参考大量行星图片及介绍进行三维可视化建模，大量模型、贴图是场景的基础，其直接影响了用户的体验感，因此模型、贴图的合理制作时开发中的重要过程;然后将完成的模型导人到UE4引擎中，开发交互工能，完成系统的开发，最后接入硬件设备对系统进行测试，无漏洞后打包完成。

　　4.1主要场景概述

　　场景一：太阳系概述

　　在此场景中的虚拟“宇宙”中搭建出太阳系的场景，即实现八大行星以太阳为中心进行公转的效果，用户可根据按键来选择希望了解的行星的知识，其中包括水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星，用户可以很直观的了解到各行星的具体样貌，自转与公转周期以及它们相互之间的体积比较。

　　场景二：日食产生的原因

　　在此场景中，开始主要是通过动画配备文字的形式为直观地介绍了产生日食的主要原因以及在日食发生时太阳，月球，地球三者之间的关系。在该场景的第二部分，将用户摄像头移动到地球的上空，使用动画显示日食发生时的光路图，可以以地球视角去观察日食发生时的整个过程。

　　场景三：月相变化及其原因

　　月相的产生就是月球被太阳照射的部分，该场景呈现在地球上的某一地点，通过动画表现某个月相月亮在场景上空移动，在此月相移动的同时，用户摄像机前会产生地球，月亮，太阳三者位置关系的模型，并使用文字的形式解释新月、残月、满月等月相的样貌，时间以及产生这种样貌时地球、太阳和月亮三者之间的位置关系。4 .2.软件功能的实现

　　为了尽最大限度的贴近于真实，我们按照真实的比例在系统中模拟了各星体的体积、自转角度、相互间的距离、自转方向和速度以及公转方向和速度。且将每个行星都设计成蓝图类，将每个行星及其一系列属性封装起来，其中包括了各个行星的大小，材质以及其公转与自转的实现等属性，以方便整体的设计和管理。

　　在场景中设置了大量的Collision碰撞盒，实时检测碰撞盒的碰撞信息，当检测到用户手柄模型与碰撞盒接触时，会触发程序，执行相应事件。在模型上加上Pick_up蓝图接口，当扣下扳机键，可将模型变为可抓取的。

　　系统开发完毕后，编辑模式可以使用VR Preview模式预览VR项目，但打包项目，使其并不能自动启用VR模式运行，添加Execute Console command节点可解决该问题用UE4的一键打包，生成可执行文件。

　　4总结与展望

　　使用虚拟现实可摆脱传统的教学模式，各种知识将不仅仅局限在二维的书本、图片或视频中，使用虚拟现实技术可以模拟出各种真实的实验场景，将抽象的事物具体化，更易于人们的接受和理解。在虚拟现实天文中，能大部分人不可触碰的宇宙，以游戏的形式展现在人们眼前，不仅有利于人们对天文理解还有利于提高人们的学习热情。

　　我相信，随着人们对宇宙的不断探索，人们对宇宙星空的求知欲将越来越强，而利用虚拟现实技术实现的天文科普教育将会成为人们获取天文知识的最有效途径之一。

　　参考文献

　　[1]桑利丹，基于虚拟现实技术的天文教学软件的设计与开发[D].天津师范大学，2018.

　　[2]羌红，桌面三维虚拟学习环境的设计与实现[D].浙江师范大学，2010.