闖入太空的“北理工眼鏡”
——中國(guó)首套登陸太空的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）設(shè)備完成預(yù)定任務(wù)
發(fā)布日期：2016-11-18 供稿：黨委宣傳部 辛嘉洋 王征 攝影：徐思君
編輯：王征 審核：李勤 包麗穎 閱讀次數(shù)：
11月18日,，歷經(jīng)33天“太空之旅”,，中國(guó)航天員景海鵬、陳冬順利返航,，此次任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天員中期在軌駐留,，也是中國(guó)迄今為止時(shí)間最長(zhǎng)的一次航天飛行,，標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程取得重大進(jìn)展。在本次任務(wù)中,，一套由中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心和北京理工大學(xué)共同研制,，用于航天員長(zhǎng)期在軌飛行中的心理支持與保障的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）設(shè)備，在神舟11號(hào)飛行任務(wù)中進(jìn)行了成功驗(yàn)證和應(yīng)用,，為后續(xù)改進(jìn)和完善提供了有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù),。
眾所周知，長(zhǎng)期在狹小空間生存,，將對(duì)人的心理產(chǎn)生不良影響,，甚至干擾到正常在軌任務(wù)的實(shí)施。為了幫助中國(guó)航天員順利完成長(zhǎng)期在軌駐留的任務(wù),，有效緩解心理壓力,、保證各項(xiàng)試驗(yàn)的順利開(kāi)展，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心在本次任務(wù)中試驗(yàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的心理舒緩新技術(shù),，特別為航天員配備了“VR眼鏡”這一流行的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備,。
這套學(xué)名為“心理舒緩組件”的空間載荷,，由中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心與北京理工大學(xué)攜手研發(fā)，由北京理工大學(xué)生命學(xué)院,、光電學(xué)院組成的科研團(tuán)隊(duì),，根據(jù)中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心制定的航天員在軌心理舒緩方案，按照航天載荷標(biāo)準(zhǔn)打造出中國(guó)首套登陸太空的VR設(shè)備,。這款為航天員“量身訂制”的VR心理舒緩系統(tǒng),，可以幫助航天員獲得完全沉浸式的場(chǎng)景體驗(yàn)，經(jīng)多次地面測(cè)試評(píng)估,，相關(guān)功能模塊均正常工作,，為航天員在軌駐留提供了有效支持，舒緩心理壓力,，保障航天科研探索任務(wù)的順利完成,。
VR技術(shù)上太空，讓航天員“沉浸”回家
作為英雄航天員,，景海鵬在第三次出征太空之際曾這樣道別：“家人們,，咱們北京見(jiàn)！”,，而在軌飛行的33天里,，兩位航天員與家人并未感覺(jué)分別“許久”，除了與地面通訊聯(lián)絡(luò)并進(jìn)行視頻外,，他們首次運(yùn)用中國(guó)自主研發(fā)的VR技術(shù),，在浩瀚的太空中回到自己熟悉的家，與親人們面對(duì)面的實(shí)現(xiàn)“團(tuán)聚”,。
自2007年起,，北京理工大學(xué)就與中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心合作開(kāi)發(fā)基于VR技術(shù)的心理舒緩系統(tǒng)，以協(xié)助長(zhǎng)期在軌飛行的航天員疏解心理壓力,。執(zhí)行此次飛行任務(wù)的航天員景海鵬曾經(jīng)對(duì)基于VR的心理舒緩系統(tǒng)第一代產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)試用,，并提出了寶貴的建議，這次任務(wù)應(yīng)用的是第二代產(chǎn)品,?！疤摂M現(xiàn)實(shí)能夠幫助航天員如觀看3D電影一般，將其帶入所熟悉的生存環(huán)境或者放松的自然景觀當(dāng)中,，以此來(lái)對(duì)抗因長(zhǎng)時(shí)間與地球隔離而產(chǎn)生的孤獨(dú)感,。”作為該項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人的北京理工大學(xué)生命學(xué)院教授李勤這樣介紹到,。
“一般情況下給航天員進(jìn)行心理舒緩是由心理學(xué)家利用引導(dǎo)語(yǔ),、音樂(lè)、可視化等手段進(jìn)行,，達(dá)到心理舒緩的效果,。我國(guó)的航天員都經(jīng)歷了重重選拔和艱苦的訓(xùn)練,，無(wú)論是抗壓力還是在逆境中的應(yīng)變能力都比較強(qiáng)。但長(zhǎng)期在軌飛行面對(duì)的挑戰(zhàn)更艱巨,，我們需要采取多種手段提高心理舒緩效果,。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的心理專家決定采用高度“沉浸感”的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)開(kāi)展心理舒緩方法和技術(shù)的研究,?！崩钋诮淌谶@樣解釋采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的來(lái)由。
心理舒緩系統(tǒng)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成場(chǎng)景的生成與顯示,，通過(guò)播放全景視頻的方式,，配合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)信息舒緩航天員的緊張和焦慮等情緒,；同時(shí),，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)頭部姿態(tài)，調(diào)整畫(huà)面的對(duì)應(yīng)場(chǎng)景,，使被試者以高沉浸感的方式觀看系統(tǒng)生成的場(chǎng)景,；在內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，經(jīng)過(guò)航天員心理專家的不斷測(cè)試與反饋,，形成了山川湖海、“單位大家庭”與“幸福小家庭”等系列場(chǎng)景,，從而有針對(duì)性的消除被試者當(dāng)前的不良情緒,。
為了更加人性化的呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的設(shè)計(jì)下,，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)環(huán)境呈現(xiàn)視頻進(jìn)行了專業(yè)制作,，不僅能夠?yàn)楹教靻T提供360度任意觀察的全景視頻，還特意拍攝了航天員所熟悉的訓(xùn)練環(huán)境以及航天員與家人團(tuán)聚的情景,，畫(huà)面其樂(lè)融融,、溫馨幸福，幫助航天員能夠在“沉浸”系統(tǒng)中回家,。
VR技術(shù)上太空,，硬件裝置突破嚴(yán)苛挑戰(zhàn)
當(dāng)前，VR技術(shù)可謂世界最炙手可熱的科技前沿技術(shù),，中國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展也已經(jīng)有20余年歷史,，但成為登陸空間站的航天載荷尚屬首次，是中國(guó)VR技術(shù)領(lǐng)域的突破之舉,。此次在軌任務(wù)中,，航天員每周工作六天，每天八小時(shí),，擔(dān)當(dāng)了航天員,、科學(xué)家,、醫(yī)生等多個(gè)角色，任務(wù)多,，還要出色完成,，其所承受的心理壓力可想而知，潛在的心理隱患不小,。
因此,，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心經(jīng)過(guò)充分調(diào)研最終選擇北京理工大學(xué)作為項(xiàng)目合作伙伴。北京理工大學(xué)充分發(fā)揮學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì),，形成了跨學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì),，光電學(xué)院王涌天教授團(tuán)隊(duì)作為業(yè)界著名的VR技術(shù)團(tuán)隊(duì)，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì),，而生命學(xué)院則積極發(fā)揮自身在空間生命科學(xué)載荷方面的研究?jī)?yōu)勢(shì),，與航天員科研訓(xùn)練中心密切合作，校內(nèi)外協(xié)同創(chuàng)新,，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)VR技術(shù)登陸太空的突破,。
雖然,VR技術(shù)和裝備的研究對(duì)北京理工大學(xué)來(lái)說(shuō)已經(jīng)較為成熟，但是完成航天任務(wù)還要面對(duì)更為“嚴(yán)苛”的挑戰(zhàn),。由于飛船載荷要求的限制,，VR設(shè)備必須遵守嚴(yán)格的尺寸、重量范圍及技術(shù)要求,，北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)盡顯軍工特色高校的作風(fēng)傳統(tǒng),，無(wú)論是外觀、硬件還是軟件,，都在原有技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新和突破,，出色的完成了任務(wù)。王涌天教授更是高度重視此次任務(wù),，直接參與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定,，對(duì)保障任務(wù)的順利完成做出了重要貢獻(xiàn)。在系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中,，科研院的領(lǐng)導(dǎo)和老師也給與了大力支持,，對(duì)項(xiàng)目管理和運(yùn)行提出了許多建設(shè)性意見(jiàn)和建議。
本次中期在軌駐留任務(wù)的心理舒緩系統(tǒng)VR設(shè)備,，硬件部分包括嵌入式顯示單元,、頭戴式單元、耳機(jī)和充電單元,。嵌入式顯示單元用于播放用于航天員心理舒緩的場(chǎng)景及聲音,，心理舒緩系統(tǒng)中的所有軟件都在嵌入式顯示單元上運(yùn)行。為了在最小的體積下實(shí)現(xiàn)眾多功能,，裝置采用頭盔式結(jié)構(gòu),。作為主要設(shè)計(jì)人員的光電學(xué)院青年教師翁冬冬介紹說(shuō)：“頭盔式結(jié)構(gòu)是目前實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求最為輕小的方案,，整個(gè)頭盔分為光學(xué)系統(tǒng)與外殼兩個(gè)部分。使用前,，嵌入式顯示單元被放入外殼,，顯示屏幕置于光學(xué)系統(tǒng)之后，航天員可以獲得較廣的視場(chǎng)角,，同時(shí)使眼部肌肉處在相對(duì)放松的狀態(tài),。”
VR技術(shù)上太空,，需要更加“貼心設(shè)計(jì)”
“這項(xiàng)任務(wù)的完成,，既是對(duì)現(xiàn)有VR技術(shù)在外層空間使用情況的珍貴實(shí)踐，更是為航天員健康提供有效保障,，只有航天員的健康安全有保障,，其他的空間實(shí)驗(yàn)才能順利開(kāi)展?！表?xiàng)目組光電學(xué)院程德文老師在談到該項(xiàng)目的重大意義時(shí)說(shuō)到,。
為了使得心理舒緩系統(tǒng)在使用中達(dá)到更好的效果，系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,，經(jīng)歷了和航天員心理專家的反復(fù)溝通和商討,。“針對(duì)航天員在軌心理舒緩的特點(diǎn)和特殊性,，在滿足多種需求的同時(shí),，我們不僅拍攝了多種全景場(chǎng)景，通過(guò)航天員身邊熟悉的事物幫助航天員進(jìn)行心理舒緩,，還始終強(qiáng)調(diào)軟件整體設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，使用要簡(jiǎn)便,?！表?xiàng)目組主要成員劉越教授介紹到。
太空環(huán)境復(fù)雜,，在地面VR設(shè)備中,，一般是通過(guò)陀螺儀來(lái)為場(chǎng)景提供基本的空間方向參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)人頭部的跟蹤,，但在太空失重條件下,，不能保證陀螺儀能夠正常工作。為此,，團(tuán)隊(duì)的師生們經(jīng)過(guò)研究,，最終決定采用光學(xué)和陀螺儀兩種跟蹤模式，通過(guò)算法保證頭部姿態(tài)與視頻場(chǎng)景顯示角度的一致,，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)確保障,。
另外,，為了適應(yīng)航天員在軌工作的特點(diǎn)，對(duì)VR設(shè)備中視頻內(nèi)容的選擇,，不再需要用手,，而是通過(guò)對(duì)航天員頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤，根據(jù)不同的頭部姿態(tài),，來(lái)實(shí)現(xiàn)任意場(chǎng)景的選擇,，以及視頻的播放、暫停和退出等功能,，操作十分便利,。系統(tǒng)還注重立體視覺(jué)效果的設(shè)計(jì)，確保其觀察到的立體效果明顯,，沉浸感最佳,，配合耳機(jī)將虛擬場(chǎng)景的聽(tīng)覺(jué)信息傳遞給航天員,以使其在虛擬場(chǎng)景中順利完成漫游、交互,、聽(tīng)取指導(dǎo)語(yǔ)等功能,。
伴隨著神舟十一號(hào)任務(wù)的圓滿成功，中國(guó)首套登陸太空的VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備成功服務(wù)于祖國(guó)航天事業(yè),，為航天員長(zhǎng)期在軌提供了生命健康保障,。北京理工大學(xué)將以此為契機(jī)，繼續(xù)發(fā)揮自身科研優(yōu)勢(shì),，按照“強(qiáng)地,、揚(yáng)信、拓天”的特色發(fā)展路徑,，為建設(shè)中國(guó)特色世界一流理工大學(xué)而不懈努力,！
