基于VR技术的太空授课虚拟仿真实验系统开发

余越凡， 周晓云

（江苏师范大学智慧教育学院，江苏 徐州 221116）

0 引 言

2021年12月9日15时50分，航天员王亚平在中国空间站进行太空授课，这是我国继2013年以来开展的第2次太空授课。第1次授课重点讲授了在失重条件下物体运动的特点和液体表面张力的作用［1］；第2次授课则介绍了中国空间站工作生活场景。以及微重力环境下细胞学实验、浮力消失等现象。这2次太空授课不仅体现了国家对科学教育与科普事业的重视，还承载着科学研究、科技传播和政治经济等多重意义，在展示我国科技实力的同时，使广大青少年激发科学兴趣、提升民族自豪感和责任感［2-4］。

身处地面的学习者难以开展失重环境下的物理实验，无法体验中国空间站的工作与生活，导致其对相关知识学习不够深刻与全面。基于虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术开发的虚拟仿真实验系统能够克服实验项目条件不具备或实际运行困难、涉及高危或极端环境等问题［5］。国内虽有学者开发了“太空授课”桌面式虚拟系统［6］，学习者只能观看实验动画与语音讲解，无法动手操作，其沉浸性、交互性和仿真性均有欠缺，难以满足实际需求。

目前已有众多学者开发出了高沉浸性、交互性和仿真性的虚拟仿真实验系统。戴天贵等［7］同时运用虚拟现实、增强现实等扩展现实技术，开发出适用于电脑端、移动端、网页端多种平台的激光谐振腔实验教学辅助系统；张婷等［8］开发的校园火灾逃生虚拟教学系统采用多模态交互机制提升系统的沉浸性，让学习者更有临场感；王佩等［9］开发的复杂机械产品三维装配工艺虚拟仿真实验系统提供虚拟现实手柄、鼠标、键盘等多种外设与系统进行实时交互；刘旸等［10］采用万向跑步机等可穿戴设备开发出了全沉浸性虚拟船厂交互仿真实验系统。可见，开发具备高沉浸性、交互性和仿真性的太空授课虚拟仿真实验系统具有可行性和实际意义。

1 太空授课虚拟仿真系统方案

基于VR技术开发太空授课虚拟仿真系统，旨在让学习者在沉浸式虚拟现实中探索和了解天和核心舱、学习相关物理知识。该虚拟仿真系统充分发挥具身认知的优势，以培养学生探究性学习能力为育人目标，并融入课程思政理念，提高教学立德树人成效。

1.1 系统开发工具

本研究选择Oculus Quest 2作为开发硬件，它是Facebook旗下的VR一体机，提供完善的开发者支持服务；采用3ds Max制作模型、Rizom UV拆分模型UV、Marmoset Toolbag烘焙法线贴图、Substance Painter绘制纹理贴图；选用Unity 3D作为系统开发引擎，可对虚拟对象进行逻辑控制和交互操作，具有强大的跨平台特性［11］。

1.2 系统设计与开发流程

系统设计与开发流程包括资料收集、三维建模、场景搭建以及交互设计4个步骤（见图1）。

相关资料的收集工作，一是要对2013年和2021年2次太空授课的内容进行归纳与整理，为系统功能的设计奠定基础；二是要搜集天和核心舱的相关数据、图片等开放数据，为三维建模与场景搭建提供参考。其次是三维建模阶段，在3ds Max中制作低模和高模，在对低模拆分UV后，在Marmoset Toolbag中进行烘焙，并使用Substance Painter绘制纹理贴图。将模型导入Unity3D搭建场景，并使用C＃编写脚本实现手柄交互和手势识别2种交互方式。

1.3 系统功能框架设计

系统总体功能框架由天和核心舱、设施与实验和纪实馆3个模块组成（见图2）。

（1）天和核心舱模块。此模块包含核心舱内部结构、太空失重行走、太空工作与生活、细胞生长发育实验和高微重力实验5项核心内容。设计目标有两个方面，一是要尽可能提升学习者在虚拟仿真环境中的临场感，主要是通过提供逼真的视觉感受以及模拟失重环境下的行为方式两个维度实现的；二是在交互内容的选择上，该模块不仅涵盖了2021年太空授课中介绍的细胞生长发育实验，还以舱内的工作和生活为参考，设计了一系列有关的交互内容，旨在让学习者充分体验虚拟环境以了解更多相关知识。效果如图3所示。

（2）设施与实验模块。学习者可以自由操控和观察核心舱设施的三维模型，并通过文本介绍了解各设施的用途；失重物理实验模块则结合两次太空授课的教学内容，设计有重力实验、单摆实验、陀螺实验、水膜实验以及浮力实验5项实验内容，同时提供太空授课视频、文字解说以及支持手势交互的仿真实验，以多模态的资源形式促进学习者的学习。

（3）纪实馆模块。此模块包含太空生活纪实和空间站大事记。“太空生活纪实”栏目提供宇航员空间站工作与生活视频，为学习者的虚拟仿真实验提供参照。“空间站大事记”栏目旨在让学习者在一件件伟大的航天成就中感受我国强盛的航天科技实力，培养民族自尊心和自豪感。效果如图5所示。

2 太空授课虚拟仿真系统的实现

2.1 三维建模

三维建模是实现虚拟仿真实验系统的基础，为虚拟场景的搭建和交互功能的实现提供必要材料。系统所需的三维模型以硬表面模型为主，采用次世代游戏建模技术制作。根据参考资料，在3ds Max中等比例制作低模，低模是用于导入Unity 3D游戏引擎的低面数模型，以节约系统资源、保障系统的流畅运行；在低模的基础上添加细节，用卡线和涡轮平滑的方式制作高模；在Rizom UV对低模进行展UV操作，并在Marmoset Toolbag中将高模细节烘焙成法线贴图；在Substance Painter中制作基于物理渲染的材质（Physically-Based Rending，PBR），并按照Unity高清渲染管线（High Definition Render Pipeline，HDRP）对贴图的要求导出AlbedoTransparency（反照率与透明度贴图）、Mask（遮罩贴图，包含金属度、环境光遮蔽、细节遮罩以及光滑度4种信息）和Normal（法线贴图）。部分模型制作过程如图6所示，渲染效果如图7所示。

2.2 虚拟场景搭建

虚拟场景的搭建是影响虚拟仿真环境视觉效果的重要环节，基于Unity高清渲染管线搭建逼真的虚拟场景。以天和核心舱为例，搭建步骤如下：

步骤1将制作好的三维模型以三角面的形式导出为Obj文件，并将Obj文件和对应贴图导入Unity 3D中以搭建整体场景，并将没有交互功能的物体设置为静态物体。

步骤2布置好场景灯光、反射探针和光照探针组，并烘焙好光照贴图。

步骤3为场景添加色调映射（Tonemapping）、高光溢出（Bloom）等后期处理效果，场景效果如图8所示。

2.3 太空失重行走功能的实现

虚拟现实中，传统的移动方式主要有贝塞尔曲线选点传送和摇杆移动两种。在核心舱的失重环境中，这两种移动方式均有违仿真要求。为在行为角度提高仿真系统的真实性与沉浸感，系统设计了失重行走功能：学习者需要借助舱壁的反作用力移动，并借助与舱壁间的摩擦力，或通过抓握固定在舱壁上的限位抓杆停止移动，具体设计流程如图9所示。

2.4 舱门交互功能的实现

系统仿真效果是影响其实用价值的重要因素，除逼真的视觉效果和贴近真实的行为方式外，丰富且细致的交互内容也是左右系统仿真效果的一大因素。太空授课虚拟仿真系统提供了拆卸、安装设备、太空食品等核心舱生活与工作的交互功能，本节则介绍其中双向承压舱门交互功能的实现流程。

为保证系统的仿真效果，根据宇航员的操作视频，将打开舱门的步骤分为3步，以更好地还原打开舱门操作过程。具体设计流程如图10所示。

2.5 三维模型检视功能的实现

三维模型检视是设施观察与了解模块的核心功能。为全方位观察模型，系统选择了远距离操控模型旋转的交互设计，但虚拟环境中学习者手的虚拟化身受人手臂工作范围的限制，难以实现上述操作［12］，若选用传统的光线投射方式，会因射线角度与三维模型旋转后的不规则表面不匹配，导致光线投射选点的丢失，因此需要对操作方式进行优化。本系统在需要检视的三维模型前放置弧形透明画布，让光线投射点始终落于画布上，并根据落点位置与三维模型中心形成的夹角变化控制三维模型旋转，以实现三维模型检视的功能，设计流程如图11所示。

2.6 重力实验功能的实现

虚拟仿真实验系统中，为学习者提供更加自然、更多维度的交互方式是提升沉浸式体验关键［13］，基于手势识别的交互就是一种自然、直观的人机交互手段［14］。基于手势交互技术的虚拟实验可使学习过程更加生动形象、具体直观［15］，并起到增强沉浸感、提高学习兴趣、改善学习态度、降低认知负荷等作用［16］。本研究使用Oculus为开发者提供的Oculus Integration资源包中的脚本，在失重物理实验模块实现手势交互功能，以增进实验学习效果。

基于手势交互的虚拟仿真实验需要根据手势交互的特性做出对应设计。以重力实验场景为例，场景提供实验器材、实验步骤提示、切换提示、切换重力环境和退出等功能。根据自然手势交互的特性，切换提示、切换重力环境和退出功能均采用三维按钮模型，保证场景内交互方式的自然与统一。重力实验实现效果图见图12，手势识别效果如图13所示，实验步骤见图14。

3 结 语

本研究将VR技术应用于航天科普事业，开发出太空授课虚拟仿真系统，能激发学习者对空间站工作、生活以及失重环境下物理现象的好奇心，培养其探究精神和爱国精神。系统搭建了中国空间站虚拟环境，实现空间站生活与工作的虚拟仿真，基于手势识别技术提供自然手势交互功能，让学习者能够具身体验重力实验等5种物理实验，并通过视频和文字解说实现了多模态的学习资源供给。VR技术凭借其对极端环境的仿真模拟能力、实时交互和沉浸式体验的特性，突破了航天科普教育活动的场地限制，丰富了教学资源和教育形式，提高学习者的学习体验，有利于航天科普事业的进一步发展。