CN110109550A - 一种vr沉浸式的系外行星探测演示*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟现实领域，一种VR沉浸式的系外行星探测演示***，其特征在于：包括图形处理工作站、运行端、用户端，所述图形处理工作站中设有三维建模软件，所述三维建模软件的数据可以导入所述运行端中，所述用户端为与图形处理工作站连接的虚拟现实硬件设备，所述运行端包括行星模拟模块、行星轨道模拟的模块、模拟恒星及行星的演化的模块、模拟行星生命演化的模块、虚拟望远镜成像***模块、Unity3D开发引擎，通过使用VR技术，可以更加直观地展示一个场景，表现力远远超过普通的基于二维图像的场景展示。

Description

一种VR沉浸式的系外行星探测演示***

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，尤其是涉及一种VR沉浸式的系外行星探测演示***。

背景技术

虚拟现实（VR）技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

通过使用VR技术，可以更加直观地展示一个场景，表现力远远超过普通的基于二维图像的场景展示。这种技术应用于天文科普方面，不论是天文理论知识，还是天文观测画面，在VR技术的帮助下，通过系外行星演示***，就可以直观，方便的进行系外行星演示。而现有的系外行星演示***，大部分都是通过文字和2D图片去演示的，不利于直观的对系外行星进行演示,而且目前系外行星演示***并没有关于虚拟望远镜对行星观测的模拟和对系外行星生命演化的模拟。

发明内容

本发明的目的是提供一种VR沉浸式的系外行星探测演示***。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种VR沉浸式的系外行星探测演示***，包括图形处理工作站、运行端（系外行星演示VR程序）、用户端，所述图形处理工作站中设有三维建模软件，所述三维建模软件的数据可以导入所述运行端中，所述用户端为与图形处理工作站连接的虚拟现实硬件设备，所述运行端包括行星模拟模块、行星轨道模拟的模块、模拟恒星及行星的演化的模块、模拟行星生命演化的模块、虚拟望远镜成像***模块、Unity3D开发引擎；

行星模拟模块：用于对行星的模拟，模拟包括预设模拟，自定义模拟，预设模拟中包含对太阳系及系外的行星或恒星的质量、大小、年龄、所含物质及所属行星的3D模型进行提前预设加入到行星模拟模块，自定义模拟是需要通过使用者使用3D建模软件建造自己需要的3D模型将其导入到行星模拟模块中，自定义其相关属性；

行星轨道模拟的模块：用于在探测演示***中计算不同行星之间的相互作用和行星的所属轨道，行星轨道模拟的模块中使用了N体模拟的物理模型；

恒星、恒星及行星的演化模拟模块：恒星及行星的演化模拟模块导入行星模拟模块中行星或恒星的相关属性,然后通过恒星及行星的演化模拟程序进行计算模拟，最后将演化影响通过3D模型演示出来；

行星生命演化模拟模块：行星生命演化模拟模块导入行星模拟模块中行星的相关属性, 然后通过行星生命演化模拟程序进行计算模拟，最后将演化影响通过3D模型演示出来；

虚拟望远镜成像***模块：通过预设或自定义的望远镜参数导入该模块，使用Diskysim程序进行虚拟望远镜成像***的模拟。

所述用户端包括头盔、手柄控制器、激光***和显示器。

本实发明的有益效果是：观看者坐在座椅上通过VR眼镜（用户端）观赏系外行星的场景或者选择从望远镜的视角去观赏系外行星场景，并产生身临其境的感受，观赏中通过VR控制机构选定不同的观看方位和观看角度。本装置基于VR技术，高还原度再现了系外行星，让观看者在探索宇宙奇妙同时，又可以学习天文知识。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为采用本发明的布局及VR外设搭建示意图；

图3为运行端（系外行星探测演示VR程序）的结构图；

其中，1、手柄控制器，2、激光***，3、头盔，4、显示器，5、图形处理工作站，6、数据传输线。

具体实施方式

如图1所示，一种VR沉浸式的系外行星探测演示***，包括图形处理工作站、运行端、用户端，用户端为连接运行端和图形处理工作站的虚拟现实硬件设备。

如图3所示，运行端（系外行星探测演示VR程序）中包括行星模拟模块、行星轨道模拟的模块、恒星、恒星及行星的演化模拟模块、行星生命演化模拟模块、虚拟望远镜成像***模块。

本实施例中，图形处理工作站5用于三维建模软件、运行端、虚拟现实硬件设备软件SteamVR的安装承载平台，最低CPU酷睿i7八核处理器，内存16G，专业显卡GeForce GTX1060。利用图形处理工作站5运行三维建模软件、虚拟现实引擎和SteamVR，再加上虚拟现实硬件设备，包括头盔3、手柄控制器1、激光***2和显示器4，集成起来就能够搭建起系外行星演示***。

显示器4：用于三维模型绘制软件界面的打开和显示，VR场景的搭建显示，运行端的运行。

激光***2：用于设定系外行星探测演示***使用者的活动区域，使用者只能在设置的区域内进行操作，如果活动超过区域范围，则不能在场景内进行人机交互。

手柄控制器1：用于使用者在使用过程中与系外行星的场景进行人机交互，包括在控制自身视角在场景内的变化，选择使用望远镜观测中望远镜的型号，移动场景中的物体，以及和运行端进行场景交互。

头盔3：在使用系外行星探测演示***中，使用者带上头盔3能够进入到系外行星场景中，宛如身临其境。

图形处理工作站5利用数据传输线6将VR内容场景信号通过VR/PC转换器转换成头盔3适配信号，传输到头盔3端。

三维建模软件用于使用者进行对行星进行三维建模并自定义参数，可以使用者根据自己所需进行自定义开发。三维建模软件的数据可以导入虚拟现实引擎中。

SteamVR软件用于为系外行星探测演示***提供运行环境。

运行端（系外行星探测演示VR程序）中包括行星模拟模块、行星轨道模拟的模块、恒星、恒星及行星的演化模拟模块、行星生命演化模拟模块、虚拟望远镜成像***模块。

行星模拟模块：用于对行星的模拟，模拟包括预设模拟，自定义模拟。预设模拟中包含对太阳系及系外的行星或恒星的质量、大小、年龄、所含物质等属性及所属行星的3D模型进行提前预设加入到行星模拟模块。自定义模拟是需要通过使用者使用3D建模软件建造自己需要的3D模型将其导入到行星模拟模块中，在自定义其相关属性。

行星轨道模拟的模块：用于在探测演示***中计算不同行星之间的相互作用和行星的所属轨道。行星轨道模拟的模块中使用了N体模拟的物理模型,其公式为：

。已知初始值，{\displaystyle q_{j}(0),\quad {\dot {q}}_{j}(0),j=1,\ldots ,n}其中是代表n个质点质量的常量。是以时间t为变量描述质点位置的三维矢量函数。通过公式及可进行N体模拟。使用者将直接通过VR看到恒星及行星的轨道。

恒星、恒星及行星的演化模拟模块:恒星及行星的演化模拟模块将会将导入行星模拟模块中行星或恒星的相关属性,然后通过恒星及行星的演化模拟程序进行计算模拟，最后将演化影响都过3D模型演示出来。使用者将直接通过VR看到恒星及行星的演化的过程。

行星生命演化模拟模块: 行星生命演化模拟模块将会将导入行星模拟模块中行星的相关属性, 然后通过行星生命演化模拟程序进行计算模拟，最后将演化影响都过3D模型演示出来。

使用者将直接通过VR看到行星生命演化的过程。其中部分使用了德雷克公式（Drake equation）为：N= fl × fi

其中N为生成生命的概率、fl代表行星发展出生命的可能性、fi代表演化出高智生物的可能性，f1按照行星和恒星的距离、水分含量、大气成分和温度通过查表实现，fi与生命产生后演化时间L成exp(-kL)的关系。

虚拟望远镜成像***模块：通过预设或自定义的望远镜参数导入该模块，使用Diskysim程序进行虚拟望远镜成像***的模拟。通过Diskysim可以模拟出真实的望远镜观测图像。使用者将直接通过VR以使用望远镜的视角来看到所观察的行星的图像。

一种采用上述VR沉浸式系外行星探测演示***，使用前要对使用区域范围设定，搭建好激光***2，将头盔3连接到图形处理工作站5，然后启动 SteamVR软件，打开运行端（系外行星探测演示VR程序），使用者戴上头盔，之后通过手柄控制器1进行控制操作。该操作过程包括：

可以通过移动头盔改变视角来观察系外行星探测演示***所展示的行星场景。

可以通过操作手柄控制器1，来对场景进行缩放，对场景中的物体进行操作控制，与UI界面进行互动。

可以通过操作手柄控制器1进入行星轨道模拟的模块，通过头盔观看到不同恒星或行星的实时轨道运行场景。

可以通过操作手柄控制器1进入虚拟望远镜成像***模块，通过头盔以望远镜视角来观测行星。

可以通过操作手柄控制器1进入行星生命演化模拟模块，通过头盔观看行星的生命演化的过程。

可以通过操作手柄控制器1进入恒星、恒星及行星的演化模拟模块，通过头盔观看恒星、恒星及行星的演化的过程。

本发明与其他系外系外行星探测演示***的不同点在于：运行端中引入了的用于行星轨道模拟的物理模型，N体模拟或流体模拟、符合科学，符合物理，且不需要超级计算机来运算。使用者将直接通过VR了解到行星及恒星的运行轨道，和行星及恒星之间的相互作用。

运行端中包含对恒星、及恒星对行星影响的演模拟，通过设置恒星的质量、年龄，以及初始的行星分布，来模拟恒星及行星的演化。使用者将直接通过VR了解到恒星及恒星对行星影响的演化的过程。

运行端中可以对行星进行生命演化的模拟，通过相关的生命演化计算，展现出行星的生命演化过程。使用者将直接通过VR了解到行星生命演化的过程。

运行端中加入虚拟望远镜以观测行星，可以在虚拟场景中设定不同参数的望远镜来观测目标，并且这个观测引入了真实观测所遇到的物理影响、和成像***误差。使用者可以通过该模块了解到观测到系外的行星需要什么样型号的望远镜、和通过望远镜可以观测到怎样的图像。

Claims (2)

1.一种VR沉浸式的系外行星探测演示***，其特征在于：包括图形处理工作站、运行端、用户端，所述图形处理工作站中设有三维建模软件，所述三维建模软件的数据可以导入所述运行端中，所述用户端为与图形处理工作站连接的虚拟现实硬件设备，所述运行端包括行星模拟模块、行星轨道模拟的模块、模拟恒星及行星的演化的模块、模拟行星生命演化的模块、虚拟望远镜成像***模块、Unity3D开发引擎；

行星模拟模块：用于对行星的模拟，模拟包括预设模拟，自定义模拟，预设模拟中包含对太阳系及系外的行星或恒星的质量、大小、年龄、所含物质及所属行星的3D模型进行提前预设加入到行星模拟模块，自定义模拟是需要通过使用者使用3D建模软件建造自己需要的3D模型将其导入到行星模拟模块中，自定义其相关属性；

行星轨道模拟的模块：用于在探测演示***中计算不同行星之间的相互作用和行星的所属轨道，行星轨道模拟的模块中使用了N体模拟的物理模型；

恒星、恒星及行星的演化模拟模块：恒星及行星的演化模拟模块导入行星模拟模块中行星或恒星的相关属性,然后通过恒星及行星的演化模拟程序进行计算模拟，最后将演化影响通过3D模型演示出来；

行星生命演化模拟模块：行星生命演化模拟模块导入行星模拟模块中行星的相关属性, 然后通过行星生命演化模拟程序进行计算模拟，最后将演化影响通过3D模型演示出来；

虚拟望远镜成像***模块：通过预设或自定义的望远镜参数导入该模块，使用Diskysim程序进行虚拟望远镜成像***的模拟。

2.根据权利要求1所述的一种VR沉浸式的系外行星探测演示***，其特征在于：所述用户端包括头盔、手柄控制器、激光***和显示器。