闖入太空的“北理工眼鏡”
——中國首套登陸太空的VR（虛擬現(xiàn)實）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”,，中國航天員景海鵬、陳冬順利返航,，此次任務(wù)首次實現(xiàn)了我國航天員中期在軌駐留,，也是中國迄今為止時間最長的一次航天飛行，標(biāo)志著我國載人航天工程取得重大進展,。在本次任務(wù)中,，一套由中國航天員科研訓(xùn)練中心和北京理工大學(xué)共同研制，用于航天員長期在軌飛行中的心理支持與保障的VR（虛擬現(xiàn)實）設(shè)備,，在神舟11號飛行任務(wù)中進行了成功驗證和應(yīng)用,，為后續(xù)改進和完善提供了有效的試驗數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。
眾所周知,，長期在狹小空間生存,，將對人的心理產(chǎn)生不良影響，甚至干擾到正常在軌任務(wù)的實施,。為了幫助中國航天員順利完成長期在軌駐留的任務(wù),，有效緩解心理壓力、保證各項試驗的順利開展,，中國航天員科研訓(xùn)練中心在本次任務(wù)中試驗了基于虛擬現(xiàn)實的心理舒緩新技術(shù),，特別為航天員配備了“VR眼鏡”這一流行的虛擬現(xiàn)實設(shè)備,。
這套學(xué)名為“心理舒緩組件”的空間載荷,，由中國航天員科研訓(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)院組成的科研團隊,，根據(jù)中國航天員科研訓(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景體驗，經(jīng)多次地面測試評估,，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,！”，而在軌飛行的33天里,，兩位航天員與家人并未感覺分別“許久”,，除了與地面通訊聯(lián)絡(luò)并進行視頻外，他們首次運用中國自主研發(fā)的VR技術(shù),，在浩瀚的太空中回到自己熟悉的家,，與親人們面對面的實現(xiàn)“團聚”。
自2007年起,，北京理工大學(xué)就與中國航天員科研訓(xùn)練中心合作開發(fā)基于VR技術(shù)的心理舒緩系統(tǒng),，以協(xié)助長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)對基于VR的心理舒緩系統(tǒng)第一代產(chǎn)品進行過試用,，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，以此來對抗因長時間與地球隔離而產(chǎn)生的孤獨感,?！弊鳛樵擁椖恐饕?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行心理舒緩是由心理學(xué)家利用引導(dǎo)語,、音樂,、可視化等手段進行，達到心理舒緩的效果,。我國的航天員都經(jīng)歷了重重選拔和艱苦的訓(xùn)練,，無論是抗壓力還是在逆境中的應(yīng)變能力都比較強。但長期在軌飛行面對的挑戰(zhàn)更艱巨,，我們需要采取多種手段提高心理舒緩效果,。經(jīng)過長期的調(diào)研和實驗，中國航天員科研訓(xùn)練中心的心理專家決定采用高度“沉浸感”的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來開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)實技術(shù)的來由。
心理舒緩系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成場景的生成與顯示，通過播放全景視頻的方式,，配合視覺,、聽覺信息舒緩航天員的緊張和焦慮等情緒；同時,，虛擬現(xiàn)實設(shè)備會自動監(jiān)測頭部姿態(tài),，調(diào)整畫面的對應(yīng)場景，使被試者以高沉浸感的方式觀看系統(tǒng)生成的場景,；在內(nèi)容設(shè)計方面,，經(jīng)過航天員心理專家的不斷測試與反饋，形成了山川湖海,、“單位大家庭”與“幸福小家庭”等系列場景,，從而有針對性的消除被試者當(dāng)前的不良情緒。
為了更加人性化的呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境,，在中國航天員科研訓(xùn)練中心的設(shè)計下,，北京理工大學(xué)團隊對環(huán)境呈現(xiàn)視頻進行了專業(yè)制作，不僅能夠為航天員提供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聚的情景,，畫面其樂融融、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),，中國的虛擬現(xiàn)實技術(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,，擔(dān)當(dāng)了航天員、科學(xué)家,、醫(yī)生等多個角色,，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,，中國航天員科研訓(xùn)練中心經(jīng)過充分調(diào)研最終選擇北京理工大學(xué)作為項目合作伙伴。北京理工大學(xué)充分發(fā)揮學(xué)科交叉優(yōu)勢,，形成了跨學(xué)院的科研團隊,，光電學(xué)院王涌天教授團隊作為業(yè)界著名的VR技術(shù)團隊,，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，而生命學(xué)院則積極發(fā)揮自身在空間生命科學(xué)載荷方面的研究優(yōu)勢,，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，實現(xiàn)了中國VR技術(shù)登陸太空的突破,。
雖然,VR技術(shù)和裝備的研究對北京理工大學(xué)來說已經(jīng)較為成熟,，但是完成航天任務(wù)還要面對更為“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)團隊盡顯軍工特色高校的作風(fēng)傳統(tǒng),，無論是外觀,、硬件還是軟件，都在原有技術(shù)上進行了創(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)計方案的確定,，對保障任務(wù)的順利完成做出了重要貢獻,。在系統(tǒng)研發(fā)過程中，科研院的領(lǐng)導(dǎo)和老師也給與了大力支持,，對項目管理和運行提出了許多建設(shè)性意見和建議,。
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行,。為了在最小的體積下實現(xiàn)眾多功能，裝置采用頭盔式結(jié)構(gòu),。作為主要設(shè)計人員的光電學(xué)院青年教師翁冬冬介紹說：“頭盔式結(jié)構(gòu)是目前實現(xiàn)任務(wù)要求最為輕小的方案,，整個頭盔分為光學(xué)系統(tǒng)與外殼兩個部分。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角,，同時使眼部肌肉處在相對放松的狀態(tài),。”
VR技術(shù)上太空，需要更加“貼心設(shè)計”
“這項任務(wù)的完成,，既是對現(xiàn)有VR技術(shù)在外層空間使用情況的珍貴實踐,，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,，其他的空間實驗才能順利開展,。”項目組光電學(xué)院程德文老師在談到該項目的重大意義時說到,。
為了使得心理舒緩系統(tǒng)在使用中達到更好的效果,，系統(tǒng)在開發(fā)過程中，經(jīng)歷了和航天員心理專家的反復(fù)溝通和商討,?！搬槍教靻T在軌心理舒緩的特點和特殊性，在滿足多種需求的同時,，我們不僅拍攝了多種全景場景,，通過航天員身邊熟悉的事物幫助航天員進行心理舒緩，還始終強調(diào)軟件整體設(shè)計要簡單,，使用要簡便,。”項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，一般是通過陀螺儀來為場景提供基本的空間方向參考,，實現(xiàn)對人頭部的跟蹤,，但在太空失重條件下，不能保證陀螺儀能夠正常工作,。為此,，團隊的師生們經(jīng)過研究，最終決定采用光學(xué)和陀螺儀兩種跟蹤模式,，通過算法保證頭部姿態(tài)與視頻場景顯示角度的一致,，實現(xiàn)運動跟蹤的準(zhǔn)確保障。
另外,，為了適應(yīng)航天員在軌工作的特點,，對VR設(shè)備中視頻內(nèi)容的選擇，不再需要用手,，而是通過對航天員頭部運動跟蹤,，根據(jù)不同的頭部姿態(tài)，來實現(xiàn)任意場景的選擇,，以及視頻的播放,、暫停和退出等功能,，操作十分便利。系統(tǒng)還注重立體視覺效果的設(shè)計,，確保其觀察到的立體效果明顯,，沉浸感最佳,，配合耳機將虛擬場景的聽覺信息傳遞給航天員,以使其在虛擬場景中順利完成漫游,、交互、聽取指導(dǎo)語等功能,。
伴隨著神舟十一號任務(wù)的圓滿成功,，中國首套登陸太空的VR虛擬現(xiàn)實設(shè)備成功服務(wù)于祖國航天事業(yè)，為航天員長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,，繼續(xù)發(fā)揮自身科研優(yōu)勢，按照“強地,、揚信,、拓天”的特色發(fā)展路徑，為建設(shè)中國特色世界一流理工大學(xué)而不懈努力,！
