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）設備完成預定任務
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，標志著我國載人航天工程取得重大進展。在本次任務中，一套由中國航天員科研訓練中心和北京理工大學共同研制，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）設備，在神舟11號飛行任務中進行了成功驗證和應用，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，有效緩解心理壓力、保證各項試驗的順利開展，中國航天員科研訓練中心在本次任務中試驗了基于虛擬現(xiàn)實的心理舒緩新技術，特別為航天員配備了“VR眼鏡”這一流行的虛擬現(xiàn)實設備。
這套學名為“心理舒緩組件”的空間載荷，由中國航天員科研訓練中心與北京理工大學攜手研發(fā)，由北京理工大學生命學院、光電學院組成的科研團隊，根據(jù)中國航天員科研訓練中心制定的航天員在軌心理舒緩方案，按照航天載荷標準打造出中國首套登陸太空的VR設備。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的順利完成。
VR技術上太空，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)絡并進行視頻外，他們首次運用中國自主研發(fā)的VR技術，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，北京理工大學就與中國航天員科研訓練中心合作開發(fā)基于VR技術的心理舒緩系統(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，這次任務應用的是第二代產(chǎn)品。“虛擬現(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中，以此來對抗因長時間與地球隔離而產(chǎn)生的孤獨感。”作為該項目主要負責人的北京理工大學生命學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家利用引導語、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練，無論是抗壓力還是在逆境中的應變能力都比較強。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)實技術來開展心理舒緩方法和技術的研究。”李勤教授這樣解釋采用虛擬現(xiàn)實技術的來由。
心理舒緩系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術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)實設備會自動監(jiān)測頭部姿態(tài)，調(diào)整畫面的對應場景，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練中心的設計下，北京理工大學團隊對環(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技術上太空，硬件裝置突破嚴苛挑戰(zhàn)
當前，VR技術可謂世界最炙手可熱的科技前沿技術，中國的虛擬現(xiàn)實技術發(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技術領域的突破之舉。此次在軌任務中，航天員每周工作六天，每天八小時，擔當了航天員、科學家、醫(yī)生等多個角色，任務多，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，中國航天員科研訓練中心經(jīng)過充分調(diào)研最終選擇北京理工大學作為項目合作伙伴。北京理工大學充分發(fā)揮學科交叉優(yōu)勢，形成了跨學院的科研團隊，光電學院王涌天教授團隊作為業(yè)界著名的VR技術團隊，充分發(fā)揮技術優(yōu)勢，而生命學院則積極發(fā)揮自身在空間生命科學載荷方面的研究優(yōu)勢，與航天員科研訓練中心密切合作，校內(nèi)外協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)了中國VR技術登陸太空的突破。
雖然,VR技術和裝備的研究對北京理工大學來說已經(jīng)較為成熟，但是完成航天任務還要面對更為“嚴苛”的挑戰(zhàn)。由于飛船載荷要求的限制，VR設備必須遵守嚴格的尺寸、重量范圍及技術要求，北京理工大學團隊盡顯軍工特色高校的作風傳統(tǒng)，無論是外觀、硬件還是軟件，都在原有技術上進行了創(chuàng)新和突破，出色的完成了任務。王涌天教授更是高度重視此次任務，直接參與系統(tǒng)設計方案的確定，對保障任務的順利完成做出了重要貢獻。在系統(tǒng)研發(fā)過程中，科研院的領導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性意見和建議。
本次中期在軌駐留任務的心理舒緩系統(tǒng)VR設備，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，裝置采用頭盔式結構。作為主要設計人員的光電學院青年教師翁冬冬介紹說：“頭盔式結構是目前實現(xiàn)任務要求最為輕小的方案，整個頭盔分為光學系統(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技術上太空，需要更加“貼心設計”
“這項任務的完成，既是對現(xiàn)有VR技術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溝通和商討。“針對航天員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)境復雜，在地面VR設備中，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)運動跟蹤的準確保障。
另外，為了適應航天員在軌工作的特點，對VR設備中視頻內(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、聽取指導語等功能。
伴隨著神舟十一號任務的圓滿成功，中國首套登陸太空的VR虛擬現(xiàn)實設備成功服務于祖國航天事業(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，為建設中國特色世界一流理工大學而不懈努力！
