“神十一”凯旋,揭秘中国首套登陆太空的VR设备是如何诞生的

11月18日,历经33天“太空之旅”,中国航天员景海鹏、陈冬顺利返航,应用于航天员生命健康保障的中国首套登陆太空的VR设备也凯旋而归。

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众所周知,长期在狭小空间生存,将对人的心理产生不良影响,甚至干扰到正常在轨任务的实施。为了帮助中国航天员顺利完成长达1个月的在轨驻留新挑战,有效缓解心理压力、保证各项试验任务的顺利开展,中国航天员科研训练中心在本次任务中,特别为航天员配备了“VR眼镜”这一流行的虚拟现实设备。

这套学名为“心理舒缓组件”的空间载荷,可以帮助航天员获得完全沉浸式的场景体验,经多次地面测试评估,相关功能模块均正常工作,为航天员在轨驻留提供了有效支持,舒缓心理压力,保障航天科研探索任务的顺利完成。

VR技术上太空,让航天员“沉浸”回家

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作为英雄航天员,景海鹏在第三次出征太空之际曾这样道别:“家人们,咱们北京见!”,而在轨飞行的33天里,两位航天员与家人并未感觉分别“许久”,除了与地面通讯联络之外,他们首次运用中国自主研发的VR技术,在浩瀚的太空中与家人实现“团聚”。

自2007年起,北京理工大学就与中国航天员科研训练中心合作开发基于VR技术的心理舒缓系统,以协助长期在轨飞行的航天员疏解心理压力。执行此次飞行任务的航天员景海鹏曾经对基于VR的心理舒缓系统第一代产品进行过试用,并提出了宝贵的建议,这次任务应用的是第二代产品。

“虚拟现实能够帮助航天员如观看3D电影一般,将其带入所熟悉的生存环境或者放松的自然景观当中,以此来对抗因长时间与地球隔离而产生的孤独感。”作为该项目主要负责人的北京理工大学生命学院教授李勤这样介绍到。

“一般情况下给航天员进行心理舒缓是由心理学家利用引导语、音乐、可视化等手段进行,达到心理舒缓的效果。我国的航天员都经历了重重选拔和艰苦的训练,无论是抗压力还是在逆境中的应变能力都比较强。

但面对长期在轨飞行、狭小密闭环境以及艰巨的航天任务,这些对航天员来说仍然是不小的挑战,会形成很大的压力,在这种情况下单纯靠传统的心理舒缓策略已不能达到理想的效果。

经过长期的调研和实验,航天员科研训练中心的心理专家决定采用高度“沉浸感”的虚拟现实技术来开展心理舒缓方法和技术的研究。”李勤教授这样解释采用虚拟现实技术的来由。

心理舒缓系统通过虚拟现实技术完成场景的生成与显示,通过播放全景视频的方式,配合视觉、听觉信息舒缓航天员的紧张和焦虑等情绪;同时,虚拟现实设备会自动监测头部姿态,调整画面的对应场景,使被试者以高沉浸感的方式观看系统生成的场景;在内容设计方面,经过航天员心理专家的不断测试与反馈,形成了山川湖海、“单位大家庭”与“幸福小家庭”等系列场景,从而有针对性的消除被试者当前的不良情绪。

为了更加人性化的呈现虚拟现实环境,在航天员科研训练中心的设计下,北京理工大学团队对环境呈现视频进行了专业制作,不仅能够为航天员提供360度任意观察的全景视频,还特意拍摄了航天员所熟悉的训练环境以及航天员与家人团聚的情景,画面其乐融融、温馨幸福,帮助航天员能够在“沉浸”系统中回家。

VR技术上太空,硬件装置突破严苛挑战

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当前,VR技术可谓世界最炙手可热的科技前沿技术,中国的虚拟现实技术发展也已经有20余年历史,但成为登陆空间站的航天载荷尚属首次,是中国VR技术领域的突破之举。此次在轨任务中,航天员每周工作六天,每天八小时,担当了航天员、科学家、医生等多个角色,任务多,还要出色完成,其所承受的心理压力可想而知,潜在的心理隐患不小。

本次中期在轨驻留任务的心理舒缓系统VR设备,硬件部分包括嵌入式显示单元、头戴式单元、耳机和充电单元。嵌入式显示单元用于播放用于航天员心理舒缓的场景及声音,心理舒缓系统中的所有软件都在嵌入式显示单元上运行。

为了在最小的体积下实现众多功能,装置采用头盔式结构。作为主要设计人员的光电学院青年教师翁东东介绍说:“头盔式结构是目前实现任务要求最为轻小的方案,整个头盔分为光学系统与外壳两个部分。使用前,嵌入式显示单元被放入外壳,显示屏幕置于光学系统之后,航天员可以获得较广的视场角,同时使眼部肌肉处在相对放松的状态。”

VR技术上太空,需要更加“贴心设计”

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“这项任务的完成,既是对现有VR技术在外层空间使用情况的珍贵实践,更是为航天员健康提供有效保障,只有航天员的健康安全有保障,其他的空间实验才能顺利开展。”项目组光电学院程德文老师在谈到该项目的重大意义时说到。

为了使得心理舒缓系统在使用中达到更好的效果,系统在开发过程中,经历了和航天员心理专家的反复沟通和商讨。“针对航天员在轨心理舒缓的特点和特殊性,在满足多种需求的同时,我们不仅拍摄了多种全景场景,通过航天员身边熟悉的事物帮助航天员进行心理舒缓,还始终强调软件整体设计要简单,使用要简便。”项目组主要成员刘越教授介绍到。

太空环境复杂,在地面VR设备中,一般是通过陀螺仪来为场景提供基本的空间方向参考,实现对人头部的跟踪,但在太空失重条件下,不能保证陀螺仪能够正常工作。为此,团队的师生们经过研究,最终决定采用光学和陀螺仪两种跟踪模式,通过算法保证头部姿态与视频场景显示角度的一致,实现运动跟踪的准确保障。

另外,为了适应航天员在轨工作的特点,对VR设备中视频内容的选择,不再需要用手,而是通过对航天员头部运动跟踪,根据不同的头部姿态,来实现任意场景的选择,以及视频的播放、暂停和退出等功能,操作十分便利。系统还注重立体视觉效果的设计,确保其观察到的立体效果明显,沉浸感最佳,配合耳机将虚拟场景的听觉信息传递给航天员,以使其在虚拟场景中顺利完成漫游、交互、听取指导语等功能。

 

转自 i北理

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责任编辑:Catherine
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