天花板变天文馆

原创 as center as科学艺术研究中心

⾃古以来，⼈类就在好奇心的驱使下，对星空进行观察探索。从旧⽯器时代到现代科学，我们对宇宙的认识经历了巨⼤的转变。随着观测工具与技术的不断发展，我们早已从伽利略时期的望远镜观测转化为了光谱和射电的探测方式。

借助地球上和太空中的望远镜，天⽂学家和天体物理学家收集了数⼗亿个天体的数据。⽬前已经积累了⼏⼗年的观测数据，⽽且预计在未来会有更多的数据。

然而，天文科技的突破性进步换来的却是海量的抽象数据，这也成为了阻碍大多数人了解宇宙奇观的鸿沟。正因如此，我们需要科学家与艺术家共同合作，将庞大复杂的天文数据进行艺术化、视觉化处理，以来方便大众理解。

为了把宇宙的广袤和美丽带到大众身边，瑞⼠洛桑联邦理⼯学院（EPFL）尝试通过主题展览：《宇宙考古学：时空的探索》（Cosmos Archaeology: Explorations in Time and Space）将科学与艺术结合，让太字节级的抽象天体物理学数据转化为⾁眼可⻅的宇宙档案，将难以察觉的数据转化为⼈类感官可获得的亲身体验。

在展出的19件科学艺术作品中，有3件展品格外引人注目，它们都是基于EPFL校内的天体物理学实验室（LASTRO）所开发的宇宙视觉化虚拟现实（VR）软件VIRUP （The Virtual Reality Universe Project）进行制作。

Cosmic Collisions, Julien Gremaud

相较于传统的太空主题VR体验，例如沉浸式太空模拟游戏Mission ISS和VR Space Walk，以及更具科普性质的太空沙盒类游戏Titans of Space和Universe Sandbox VR，《宇宙考古学》展品中所使用的VIRUP软件通过大量真实天文数据和定制物理引擎的加持，得以呈现真实的行星、星系和宇宙景观。同时，VIRUP还能够准确模拟重力和运动，让体验者感受到更真实的漂浮和太空探索。

Universe Sandbox VR游戏，Universe Sandbox

展览中的主要作品之一便是2021年由LASTRO基于VIRUP推出的VR沉浸式短⽚《光的考古学》（Archaeology of Light），用21分钟描绘出⼀幅前所未有的宇宙图景。

短⽚带领观众从地球出发，以第⼀视⾓观察我们的宇宙。基于VIRUP所使用的庞大数据模拟，该片得以视觉化整个宇宙的叙事概览和飞行穿越，并回溯到137亿年前的宇宙边缘，抵达我们现有技术无法到达或观测到的点。

《光的考古学》中绘制的人造卫星分布图，LASTRO & eM+

《光的考古学》使用VIRUP模拟出的银河系动态，LASTRO & eM+

VIRUP使用SDSS数据绘制出的宇宙网，LASTRO & eM+

以《光的考古学》为例，若想运用VIRUP软件精准制作出短片中所出现的全景宇宙图景，首先要掌握夜空中上百甚⾄上千万个星系的相对位置。而这种海量的数据又从何而来的呢？

通过现代观测⼿段，我们已经有能⼒获得每个星系的三维坐标数据。斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）项⽬为绘制这幅庞⼤的星系地图提供数据基础。

斯隆数字化巡天2.5m口径望远镜, Sloan Foundation

SDSS项⽬的数据采集主要通过位于新墨⻄哥州的阿波奎基天⽂台的望远镜进⾏。该望远镜具有较⼤的光学⼝径和较⾼的灵敏度，可以在⼀次观测中覆盖较⼤的天空⾯积。

在数据处理⽅⾯，SDSS项⽬采⽤了⼀种名为「光谱拼接」的技术，可以将多个观测数据拼接在⼀起，形成更为精确和完整的三维星系地图。通过对宇宙中不同尺度上的物质分布和演化进⾏研究，帮助科学家进⼀步了解宇宙的演化和结构。

斯隆数字化巡天系统, Sloan Foundation

SDSS庞大数据的加持为VR体验的流畅性带来了艰巨的挑战。

在传统VR游戏引擎Unity和Unreal都无法胜任的条件下，如何将太字节级别的数据进行针对VR设备的可视化适配，并保证流畅的VR体验？

LASTRO团队以每秒 90 帧的速度渲染数太字节大小的数据为目标进行开发，从零打造出VIRUP专用引擎并利用PID Loop调整KD树算法的方式成功实现了VIRUP实时交互时的丝滑VR体验，由此为人们提供一种全新的、完全⾝临其境的宇宙动态视角。

软件工程师Florian Cabot测试VIRUP中, EPFL LASTRO

VIRUP的设计初衷是为了尽可能让更多的体验者自由感受宇宙的震撼，其对市面上常用的现实设备进行了适配。

除了官方推荐的佩戴VR头戴显示器使用VIRUP来达到全3D环绕式沉浸体验以外，VIRUP还能够在其他虚拟现实环境中构建虚拟宇宙，比如在天文馆内的穹顶全景展示以及洞穴状和半洞穴状虚拟环境等场所。

使用VIRUP进行环绕式投屏, EPFL

LASTRO的天体物理学家Yves Revaz认为，相⽐于普通的2D内容，VR可以将宇宙结构以⾮常震撼和精细的形式呈现出来。这些可视化的内容能够帮助⼈们培养对复杂现象的⼀种直觉。VIRUP为所有⼈提供了⼀种访问海量天体物理数据的⽅法，是⼀种⾮常有效探索宇宙所有不同尺度构造的⽅式，⽽且是独⼀⽆⼆的。

VIRUP开发团队, EPFL

除了开头所介绍的《光的考古学》外，《宇宙考古学》展览中也包含了其他使用VIRUP制作的作品。

展品《虚拟行星轨道参观》（Virtual Oribital Visit）为展览空间中悬吊的两个圆形屏幕，利⽤投影的形式来呈现部分可视化的成果。

投影内容包括经过科学渲染的地球、⽉球以及⽕卫⼀。另外，基于AGORA星系模拟项⽬的数据成果，团队使⽤最新的引力流体⼒学（gravito-hydrodynamics）代码来模拟星系的动态过程，实现超⾼分辨率银河系的可视化呈现。

Virtual Orbital Visit, Julien Gremaud

《动态宇宙》（The Dynamic Universe）则为参与者提供了一个高保真度的虚拟宇宙呈现平台。它通过将参与者置于黑暗沉浸式洞穴中，同时在墙壁和地板上投射3D视图（使其成为半个完整洞穴）来实现。

作为LASTRO的VIRUP项目的主要成果之一，《动态宇宙》基于VIRUP强大的、开源的测试版软件，构建了一个实时的虚拟宇宙。该应用程序利用了来自斯隆数字化天空测绘（SDSS）和IllustrisTNG等项目的最详细的现代天体物理和宇宙学数据。

The Dynamic Universe, Julien Gremaud

当然，VIRUP不止用于科学仪式展览。支持开源多平台的VIRUP意味着其可以随着科技的进步与时俱进。

比如，苹果于5号发布的Vision Pro作为扩展现实领域的革命性里程碑，其强大的计算能力使用户得以自由打造无边际的画布，并将所处空间随意转换成各种环境。

想象将VIRUP为Vision Pro进行适配后，将家中的地板、天花板、以及墙壁转化为浩瀚的太空。俯视国际空间站从脚下缓缓飘过，仰望皎洁的月亮，环视四周一望无尽的星辰。

Apple Vision Pro宣传片, Apple

《宇宙考古学》通过其真实而视觉化的当代呈现方式，使学者和公众都能够接触到时空连续性、宇宙的深度和历史，使我们所有人都成为宇宙的考古学家。

作为展览背后的支柱，VIRUP及其研发团队已在他们的能力范围内将宇宙环境的模拟做到了最好，然而，它并非完美无缺。就像我们对太空的持续探索一样，VIRUP仍然需要进行不断的研究和更新迭代。

我们期待未来VIRUP和其团队将继续改进和完善，以更准确地模拟宇宙环境，并提供更精确、逼真的视觉体验。通过持续的研究和数据更新，VIRUP将不断推动我们对宇宙的探索，让我们更接近理解宇宙的无限广阔和无尽神奇。

Reference:

Cosmos Archaeology-Explorations in Time and Space, EPFL Pavilions Virtual reality offers an unprecedented look at the universe (and you can take a peek), Chicago Sun Times

Have You Ever Wanted To Explore Outer-Space? Now You Can!, SciTech Daily

VIRUP, EPFL LASTRO

SDSS, Sloan Foundation

Universe Sandbox VR, http://universesandbox.com/blog/2020/10/reimagined-experience-unified-vr-desktop-update-26/

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