CN105702150B - 一体式光学-数字天象仪 - Google Patents

Abstract

一种用于天文科普和教学的天象模拟设备。光学恒星放映器2和数字视频投影机3共同安装在恒星球1上，组成光学和数字两套星空图像放映***。转台4、中央框架5、支架6和底座7支承上述图像放映***，并使之能绕AA、BB、CC轴转动，实现地平、极高、周日3自由度运动。光学图像***可提供清晰明亮的星空，数字图像***除提供星空图像外，还投射辅助的动画视频图像以丰富表演内容。由于光学星空图像***和数字星空图像***共同安装在恒星球1上，永远不会因失调而出现光学星空和数字星空分离的故障，彻底根除了现有技术中由于数字视频投影机3不装在恒星球1上，难于准确跟踪以3自由度运动的光学星空图像导致的星空分离误差。

Description

一体式光学-数字天象仪

技术领域 本发明涉及混合式天象仪***中光学天象仪和数字天象仪的结构和布局，特别是单球式光学天象仪和分散式数字天象仪的结构和布局。

背景技术 天象仪是天文馆中用来表演人造星空的仪器。传统的光学天象仪，能放映清晰明亮、形象逼真的人造星空，并演示人造星空的各种天文运动。但光学天象仪本身的功能比较单一，往往需要另外再配备多种专用附属仪器、视频投影机和幻灯机等，才能进行天象节目演出。进入21世纪以后，随着计算机技术和视频投影技术的发展，功能更加灵活的数字天象仪应运而生。数字天象仪基于计算机图形学原理，除了能演示人造星空及星空的各种运动变化外，还可以演示生动活泼、气势磅礴的动态画面。因此仅靠单独的数字天象仪本身就能进行各种节目演出，非常简便，因此普及很快。但局限于数字天象仪所用视频投影机的性能指标，导致数字天象仪所放映的星空质量较差，而天象节目表演中又往往对星空质量要求严苛。所以为了能获得星空清晰明亮、内容又丰富多彩的演出效果，现在通行的解决办法是采用《光学+数字》的混合式天象仪***。(见《Planetarian》pp.22-25.March2013，Mike Shanahan：Bishop Museum’s J.Watumull Planetarium is Reborn.以及日本五藤光学研究所的混合式天象仪广告：Super Uranus/Hybrid见www.goto.cojp/english/product/h-pla-s_uranus.html)。在当前的混合式天象仪***中，光学天象仪和数字天象仪相结合以后，虽然取长补短、各施所能，在改善天象节目的演出效果方面取得一些成效。但也暴露出混合式天象仪***先天性的固有缺陷。

首先，混合式天象仪***要求“数字星空”能与“光学星空”重叠、并在运动中保持同步，技术上非常困难。因为“数字星空”是从分散安装在天幕8附近(图4)固定的数字视频投影机3所投射的运动的视频图像；而“光学星空”是从安装在光学天象仪9上运动着的恒星球1上的光学恒星放映器2所投射的、相对于恒星球1静止的固定图像。“数字星空”的运动是图像的视频运动，而“光学星空”的运动是由恒星球1的3自由度机械运动所带动的静态图像的整体移动。可见一个是“运动的图像”，另一个是“图像的运动”，二者本质上不同。要求“数字星空”始终能与“光学星空”重叠、并严格保持在运动中同步决非易事，往往会产生“光学星空”和“数字星空”相互分离的误差。因为星空只需出现微量的分离，星星就会产生“双像”，非常敏感。

其次，在混合式天象仪***中，分散固定安装在天幕8周边的数字视频投影机3，在投射图像时会被放置在天幕8中心的光学天象仪9局部遮挡，造成数字天象仪图像的残缺。

第三，分散布置的数字视频投影机3由于相距甚远、各支架刚度不足和温度变化等影响，容易造成数字图像拼接的失调。

本一体式光学-数字天象仪发明的目的，就是要从根本上克服现有混合式天象仪的上述缺点，为天象节目演出提供新的、更加完善的表演手段。

发明内容 本一体式光学-数字天象仪发明的目的是这样实现的：将混合式天象仪***中分散固定安装在天幕8周边的多台数字视频投影机3(图4)，先将其投影覆盖区域从只有360°X180°的半球形天幕，扩充至能覆盖360°X360°全天域整球形天幕范围后，再将所有数字视频投影机3全部移植到光学天象仪的恒星球1上，使数字视频投影机3、光学恒星放映器2和恒星球1形成一个刚体、共同运动，构成新的一体式光学-数字天象仪10(图1-图中天幕8未表示)。这样只需事先在静态情况下经过一次调试，使视频投影机3所投射的数字星空，与光学恒星放映器2所放映的光学星空相互重合，那么从此以后，不论恒星球1如何运动，只要数字视频投影机3在投射数字星空时采用静止图像格式，那么数字星空与光学星空不论静止或运动，都能始终保持重合，永远不会产生分离误差。这样本发明就从根本上消除了数字星空和光学星空相互分离的可能性。

其次，在本一体式光学-数字天象仪中，数字视频投影机3安装在恒星球1上以后，其数字图像的投射方向已经改变成从天幕8中心向天幕8周边投射，不复存在本一体式光学-数字天象仪10，遮挡数字视频投影机3，造成数字图像残缺的问题。

第三，当全部数字视频投影机3都固结在恒星球1上以后，结构紧凑刚度高，温度变化更趋均匀，有利于保持数字图像拼接的准确性。

在混合式天象仪中，数字视频投影机3所投射的内容，除数字星空始终要求与光学恒星放映器2的光学星空重合、并同步运动以外，数字视频投影机3也要求能投射一些相对于天幕8静止、而相对于星空运动的视频图像作演出的衬托背景，如天际线周边的山峦、树木，月球表面的景色等等，这些视频图像应当不随星空运动而相对于天幕8静止。这在本发明中照样可以实现，其方法可以是将一体式光学-数字天象仪10中用来驱动恒星球1的机械运动命令，折合成大小相等、方向相反的数字图像运动控制命令，同时施加于控制数字视频投影机3所投射的、需要相对于天幕8保持静止的数字图像的运动即可。显然在本一体式光学-数字天象仪10中，当恒星球1运动时控制数字图像相对于天幕8保持静止的难度，比之于在混合式天象仪***中，控制数字星空与光学星空重叠、并在运动中保持同步的难度低得多。由此可见，本发明在克服了现有技术各项固有缺陷以后，不但保留了现有技术的全部有用功能，而且使这些功能的实现更加容易。

传统的天幕8是360°X180°的半球形覆盆结构，盆口向下并与地面平行，盆的内表面代表天穹，图像和视频都投射到天穹上表演。但近来天幕8已演变出各种不同形态。例如将天幕8盆口直立的“飞行影院”式设置；为追求沉浸感而推出的360°X360°全天域整球幕设置等等。因为本发明是在保留光学天象仪固有360°X360°全天域整球幕成像能力的同时，通过将数字视频投影机3的投影覆盖区域从360°X180°的半球形天幕，扩充至与光学恒星放映器2所具有的360°X360°全天域整球形天幕覆盖区域相同，大大扩展了一体式光学-数字天象仪***的适应能力。即在不需要对本身的结构作任何改动的情况下，一体式光学-数字天象仪***既可在传统的水平设置的半球形天幕下演出，也可在“飞行影院”式的与地面垂直的360°X180°半球形天幕中演出(图2)，甚至在全包裹的360°X360°全天域的整球型天幕中演出(图3)，极大地扩展了一体式光学-数字天象仪的应用范围。

附图说明 下面先对附图作简要的说明。

图1：一体式光学-数字天象仪示意图。

本图是本发明的第一种实施方案，并用以说明本发明《一体式光学-数字天象仪》原理和结构的示意图。

图2：一体式光学-数字天象仪“飞行影院”式设置示意图。

本图是本发明的第二种实施方案，用以说明“飞行影院”式设置的示意图。

图3：一体式光学-数字天象仪“360°X360°”整球式设置的示意图。

本图是本发明的第三种实施方案，用以说明“360°X360°”整球式设置的示意图。

图4：现有技术混合式《光学+数字》天象仪***示意图。

本图是用以介绍现有技术混合式《光学+数字》天象仪***原理和结构的示意图。

具体实施方式 下面以图1为例，对本发明《一体式光学-数字天象仪》的结构和工作原理进一步详细说明。

由图1可见，本发明一体式光学-数字天象仪10，由恒星球1、光学恒星放映器2，数字视频投影机3、转台4、中央框架5、支架6和底座7等组成。光学恒星放映器2固结在恒星球1上。转台4可绕底座7的垂直轴AA旋转，实现天象仪的地平方位运动。中央框架5可绕支架6的水平轴BB旋转，实现天象仪的天极高度运动。恒星球1可绕中央框架5的CC轴旋转，实现天象仪的周日运动。AA，BB，CC三轴交会于中心点O，而且相互垂直。O点也是天幕8的球心。可见恒星球1位于AA、BB、CC三层转轴的最高层，具有3个旋转自由度。因此固结在恒星球1上的数字视频投影机3和光学恒星放映器2组成一个刚体，共同参与恒星球1的3个旋转自由度运动，因此可以把光学星空和数字星空以任意姿态投射到天幕8的任意位置上，以再现天文学所要求的星空的任意天象。由于固结在恒星球1上的数字视频投影机3与光学恒星放映器2组成同一个刚体，因此只需事先经过一次调试，使数字视频投影机3所投射的数字星空，与光学恒星放映器2所放映的光学星空在静止状态下相互重合，而且数字视频投影机3在演示数字星空时采用静止图像格式。那么从此以后不论一体式光学-数字天象仪的恒星球1如何运动，数字星空与光学星空将始终保持重合、再也不会分离。这样本发明就从根本上消除了光学星空和数字星空分离的误差。

此外在本发明的一体式光学-数字天象仪(图1)中，由于所有数字视频投影机3已安装在恒星球1上，使数字视频投影机3的图像，都是从中央的恒星球1向天幕8周边投射，自然也就克服了现有技术中数字视频投影机3投射的图像被一体式光学-数字天象仪10遮挡的问题。一体式光学-数字天象仪10的恒星球1是一整个金属壳体，刚度好。数字视频投影机3直接固定在恒星球1上，结构紧凑，温度变化均匀，因此数字图像一旦仔细拼接完成，能保持精度不易失调。

图2所示是本发明的第二种实施方案，用以说明“飞行影院”式设置的示意图。由于本一体式光学-数字天象仪10的数字视频投影机3，已经将其投影覆盖区域从360°X180°的半球形天幕，扩充至360°X360°的全天域整球形天幕覆盖区域，因此可以在对本身的结构不作任何改动的情况下，将其投射的图像的覆盖范围从传统水平的覆盆式常规设置，转换为垂直的“飞行影院”式设置。

图3所示是本发明的第三种实施方案，用以说明360°X360°的全天域整球形天幕覆盖式设置的示意图。如前所述，在现有技术的混合式光学-数字天象仪中，光学天象仪具有360°X360°的全天域整球形天幕覆盖能力，而数字天象仪只具有360°X180°的半球形天幕覆盖能力，无法适应360°X360°的全天域整球形天幕演出的要求。而在本一体式光学-数字天象仪10的数字视频投影机3的覆盖范围已扩充至360°X360°的全天域整球形天幕覆盖区域，因此可以在不需对本身的结构作任何改动的情况下，满足360°X360°的整球式设置方式。

图4所示是现有技术混合式《光学+数字》天象仪***示意图，本图用以介绍现有技术混合式《光学+数字》天象仪***的原理和结构，用以深度分析其存在的问题，并有针对性地导出本一体式光学-数字天象仪的技术方案。

Claims (5)

1.一种一体式光学-数字天象仪(10)，由恒星球(1)、光学恒星放映器(2)、数字视频投影机(3)、转台(4)、中央框架(5)、支架(6)和底座(7)组成；光学恒星放映器(2)固结在恒星球(1)上；转台(4)可绕底座(7)的垂直轴AA旋转，实现天象仪的地平方位运动；中央框架(5)可绕支架(6)的水平轴BB旋转，实现天象仪的天极高度运动；恒星球(1)可绕中央框架(5)的CC轴旋转，实现天象仪的周日运动；AA、BB、CC三轴交会于中心点O，而且相互垂直；O点也是天幕(8)的球心；其特征在于：数字视频投影机(3)的投影区域，从只有360°X180°的半球形天幕，扩充至能覆盖360°X360°全天域整球形天幕的范围；数字视频投影机(3)固结在恒星球(1)上，并与光学恒星放映器(2)一起，三者共同组成一个刚体。

2.根据权利要求1所述的一体式光学-数字天象仪(10)，其特征在于：数字视频投影机(3)在投射数字星空时采用静止图像格式。

3.根据权利要求1或2所述的一体式光学-数字天象仪(10)，其特征在于：数字视频投影机(3)在放映相对于天幕(8)静止、而相对于星空运动的视频图像时，其方法是将一体式光学-数字天象仪(10)中，用来驱动恒星球(1)的机械运动命令，折合成大小相等、方向相反的数字图像运动控制命令，在驱动恒星球(1)运动的同时，施加于控制数字视频投影机(3)所投射的、需要相对于天幕(8)保持静止的数字图像的运动。

4.根据权利要求1或2所述的一体式光学-数字天象仪(10)，其特征在于：对一体式光学-数字天象仪(10)本身结构不作任何改变的情况下，将天幕(8)转换为垂直的“飞行影院”式设置。

5.根据权利要求1或2所述的一体式光学-数字天象仪(10)，其特征在于：对一体式光学-数字天象仪(10)本身结构不作任何改变的情况下，将天幕(8)转换为360°X360°的全天域整球形天幕设置。

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