CN108182852B - 一种用于科普演示的黑洞模拟感知系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于科普演示的黑洞模拟感知系统，该系统包括人体感知传感器和黑洞显示平面，当参与者站到黑洞显示平面前方时，人体感知传感器捕捉到参与者的光学图像信息，系统依据参与者与黑洞显示平面中黑洞的距离，向参与者模拟演示黑洞效应。
Description
技术领域
本发明属于天文科普装置技术领域，特别涉及一种用于科普演示的黑洞模拟感知系统。
背景技术
根据百度百科，黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种天体。黑洞的引力很大，使得视界内的逃逸速度大于光速。1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西(KarlSchwarzschild)通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名为“黑洞”。黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。
然而，对于普通人，是很难理解黑洞的概念的。现有的科普演示装置都无法很好的演示黑洞这个概念。由于黑洞本身是“不可见”的，如何让受众直观地感受黑洞一直是天文类科普展示馆的难点，很多天文馆直接放弃了这方面的研究。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于科普演示的黑洞模拟感知系统，目的在于解决黑洞概念难于被普通人理解，现有的天文科普馆无法将这一天文现象模拟演示的问题。
本发明的实施例之一是，一种用于科普演示的黑洞模拟感知系统，该系统包括人体感知传感器和黑洞显示平面，当参与者站到黑洞显示平面前方时，人体感知传感器捕捉到参与者的光学图像信息，系统依据参与者与黑洞显示平面中黑洞的距离，向参与者模拟演示黑洞效应。
优选的，在所述黑洞显示平面的前方，按照距离黑洞显示平面的远近分为4个区域，它们分别是：
第一区域，该区域距离黑洞显示平面最近，该区域的物理学设定是，处于史瓦西半径之内，光信号被无条件吸收。系统模拟演示效果是，黑洞图像被无限扭曲拉伸并呈现时空错位现象。
第二区域，该区域位于第一区域的远离所述黑洞显示平面的外侧，该区域的物理学设定是，进入处于史瓦西半径的时空视界附近。系统模拟演示效果是，黑洞图像被扭曲成环绕黑洞的亮环。
第三区域，该区域位于第二区域的远离所述黑洞显示平面的外侧，该区域的物理学设定是，距离黑洞的距离大于史瓦西半径，出现了黑洞效应。系统模拟演示效果是，黑洞图像被严重扭曲。
第四区域，该区域距离所述黑洞显示平面最远，系统不做反应处理，黑洞图像没有变化。
通过本发明的黑洞模拟感知系统的人体感知传感器，将被捕捉的参与者的光学图像信息将依据其与系统中显示平面的黑洞的距离，来获得三种计算方法：当光线进入受控范围内但距离黑洞较远时，图像会严重扭曲；当光线信号刚好在时空视界附近时(史瓦西半径r＝2GM/c^2)，图像会被扭曲成环绕黑洞的亮环；当参观者的影像掉入史瓦西半径之内时，则光信号被无条件吸收(成黑色)。
因此，本发明的实施例之一的有益效果包括：
让参与者能够“身临其境”地感受黑洞的物理效应；
在天文馆中首次利用位置传感器来捕捉参观者的实时动态用以展示“不可见天体”，根据参观者位于黑洞距离所产生的不同黑洞效果。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是本发明在天文馆中场景布置示意图。
1——黑洞显示平面，2——参与者。
图2是本发明系统中人体感知原理示意图。
图3是本发明系统中黑洞显示平面前方受控区域划分示意图。
图4是本发明实施例中掉入史瓦西半径之内时黑洞示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的实施例之一，黑洞模拟感知系统包括人体感知传感器和黑洞显示平面，当参与者站到黑洞显示平面前方时，人体感知传感器捕捉到参与者的光学图像信息，系统依据参与者与黑洞显示平面中黑洞的距离，向参与者模拟演示黑洞效应。所述黑洞显示平面采用异形小间距LED成像载体。所述的人体感知传感器采用微软的Kinect系统。通过Kinect技术实时捕捉参观者距离黑洞的位置，通过图形学生成光波距离黑洞不同位置距离(如下面所述的4个区域)所产生的不同黑洞效果。该实施例的有益效果包括，在天文馆中首次利用Kinect技术来捕捉参观者的实时动态用以展示“不可见天体”。并且在天文馆中，首次使用了异形小间距LED成像载体作为显示平面来演示不可见天体，即通过手工拼接复数LED模组，将其组装成椭圆形成像载体用以模拟实体黑洞。
如图2所示，本发明的实施例之一，所述人体感知传感器判断是否有参与者进入到检测范围之内，如果判断存在参与者话，则黑洞模拟感知系统捕获参与者的距离数据流和色彩数据流传入到系统中，通过矩阵进行坐标转换实现人物图像在所述黑洞显示平面上的实时同步。
如图3所示，本发明的实施例之一，在所述黑洞显示平面的前方，按照距离黑洞显示平面的远近分为4个区域，它们分别是：
第一区域，该区域距离黑洞显示平面最近，该区域的物理学设定是，处于史瓦西半径之内，光信号被无条件吸收。系统模拟演示效果是，黑洞图像被无限扭曲拉伸并呈现时空错位现象。
第二区域，该区域位于第一区域的远离所述黑洞显示平面的外侧，该区域的物理学设定是，进入处于史瓦西半径的时空视界附近。系统模拟演示效果是，黑洞图像被扭曲成环绕黑洞的亮环。
简单来说：首先通过shader以uv的中心点，长度为0.7绘制一个圆，然后通过时间叠加控制uv(即所画的圆)的流动实现其旋转的动态效果，最后将圆随机划分10-15个值域，实现其不同分段的光暗对比。以此来模拟环绕黑洞的亮环效果。
第三区域，该区域位于第二区域的远离所述黑洞显示平面的外侧，该区域的物理学设定是，距离黑洞的距离大于史瓦西半径，出现了黑洞效应。系统模拟演示效果是，黑洞图像被严重扭曲。
第四区域，该区域距离所述黑洞显示平面最远，系统不做反应处理，黑洞图像没有变化。
本发明的实施例之一，根据黑洞的逃逸速度c0＝299792458m/s，等比缩小在现场划分同比例区域。由于每个黑洞的逃逸速度都不一样，实际演算以光速作为逃逸速度的参考值当作计算标准。
当参与者处于第四区域，由于参与者未进入受控范围，黑洞图像不做任何变化。
当参与者处于第三区域，由于参与者进入受控范围，但距离黑洞较远时，图像被严重扭曲。扭曲在大自然中形成是比较复杂的，图形学通常采用通过获取屏幕纹理和移动UV来模拟扭曲效果。要实现扭曲效果，首先获取到物体的模型坐标通过矩阵转换成世界坐标再转成视口坐标，随后通过视觉平截体乘以投影矩阵并进行透视除法转换成剪裁坐标。然后将剪裁坐标中的顶点信息进行换算，在系统计算机内存中开辟一块空间保存起来。至此，物体在剪裁空间中的顶点信息已经获得并保存在内存中。
随后要做的是添加一张区域图纹理使得扭曲效果只在该区域内进行采样。为此首先需要获取输入的纹理坐标集，并使用所添加的区域采样图，通过时间叠加控制UV的运动。这样在进行采样时，所获取到的颜色也是运动的。
然后需要添加一张絮乱图，将其xy与xz交叉位移，再将xy与yx交叉位移，同时同样通过时间叠加控制UV的运动。然后将正在移动的絮乱图纹理信与保存在内存中的顶点信息进行累加。如此就形成了絮乱图运动的效果。
最后将两张图的纹理相乘，如此即可达到絮乱图在区域图中才显示的扭曲效果。
当参与者进入第二区域，所述系统对黑洞图像的处理包括，绘制光环和光环动画，并且将光环和光环动画作旋转处理。
当参与者进入第一区域，参与者掉入史瓦西半径之内时，光信号被无条件吸收。系统将当前黑洞图像纹理坐标平移至中心点，然后按中心旋转。之后再通过矩阵转换计算出3D坐标在屏幕上的位置，根据屏幕位置做位置偏移。最后再通过距离计算出当前点的旋转弧度PI/180＝0.1745后构建旋转矩阵。旋转完成后，平移至原位置。效果图如图4所示。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (1)
1.一种用于科普演示的黑洞模拟感知系统，其特征在于，该系统包括人体感知传感器和黑洞显示平面，当参与者站到黑洞显示平面前方时，人体感知传感器捕捉到参与者的光学图像信息，系统依据参与者与黑洞显示平面中黑洞的距离，向参与者模拟演示黑洞效应，
在所述黑洞显示平面的前方，按照距离黑洞显示平面的远近分为4个区域，它们分别是：
第一区域，该区域距离黑洞显示平面最近，该区域的物理学设定是，处于史瓦西半径之内，光信号被无条件吸收，
系统模拟演示效果是，黑洞图像被无限扭曲拉伸并呈现时空错位现象；
第二区域，该区域位于第一区域的远离所述黑洞显示平面的外侧，该区域的物理学设定是，进入处于史瓦西半径的时空视界附近，
系统模拟演示效果是，黑洞图像被扭曲成环绕黑洞的亮环；
第三区域，该区域位于第二区域的远离所述黑洞显示平面的外侧，该区域的物理学设定是，距离黑洞的距离大于史瓦西半径，出现了黑洞效应，
系统模拟演示效果是，黑洞图像被严重扭曲；
第四区域，该区域距离所述黑洞显示平面最远，系统不做反应处理，黑洞图像没有变化，
所述人体感知传感器判断是否有参与者进入到检测范围之内，
如果判断存在参与者话，则黑洞模拟感知系统捕获参与者的距离数据流和色彩数据流传入到系统中，通过矩阵进行坐标转换实现人物图像在所述黑洞显示平面上的实时同步，
当参与者进入第三区域，所述系统对黑洞图像的处理包括：
首先，获取参与者坐标通过矩阵转换成世界坐标再转成视口坐标，随后通过视觉平截体乘以投影矩阵并进行透视除法转换成剪裁坐标，然后将剪裁坐标中的顶点信息进行换算，并且保存；
随后，添加一张黑洞的区域图纹理使得扭曲效果只在该区域内进行采样，并且获取输入的纹理坐标集，使用所添加的区域采样图，通过时间叠加控制UV的运动；
然后，添加一张黑洞的絮乱图，将其坐标xy与xz交叉位移，再将xy与yx交叉位移，同时通过时间叠加控制UV的运动，然后将正在移动的絮乱图纹理信与保存的顶点信息进行累加，形成絮乱图运动的效果；
最后，将区域图纹理和絮乱图纹理相乘，达到絮乱图在区域图中才显示的扭曲效果，
当参与者进入第二区域，所述系统对黑洞图像的处理包括，绘制光环和光环动画，并且将光环和光环动画作旋转处理，
当参与者进入第一区域，所述系统对黑洞图像的处理包括，
将当前黑洞图像纹理坐标平移至中心点，然后按中心旋转；
再通过矩阵转换计算出黑洞3D坐标在黑洞显示平面上的位置，根据黑洞显示平面尺寸做位置偏移；
再根据参与者距离，计算出当前点的旋转弧度后构建旋转矩阵；
旋转处理完成后，当前黑洞图像纹理坐标平移至原位置，
所述黑洞显示平面采用异形小间距LED成像载体，
所述的人体感知传感器采用微软的Kinect系统。
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