古代計時器日晷VR模擬仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳愛群　張敏　徐子微

關(guān)鍵詞：日晷；Oculus眼鏡；模擬仿真；VR設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0098-04

中國古代計時方法是與天文測量分不開的，年、月、日、時都離不開對天象的觀測。自古以來形成的計時單位都是由古人幾千年來結(jié)合了時間的計量方法與朝代的歷法，古代勞動人民將線性的時間劃分成若干等量刻度，把一晝夜劃分成十二時段，十二時辰也根據(jù)中國十二生肖的動物出沒時間來命名各個時辰，每個時段計為一個時辰，每個時辰相當(dāng)于現(xiàn)在的兩個小時，以一天當(dāng)中太陽起落的自然規(guī)律、天色的變化以及人們?nèi)粘５淖飨⒘?xí)慣而歸納總結(jié)形成的智慧結(jié)晶，一年之初為正，一日之始為朔，古人用夜半子時合朔作為起始點來計算歷法，今天，人們接觸的都是電子手表或者手機上的時間顯示，對于古代的計時工具非常的陌生，本系統(tǒng)借助Oculus眼鏡的VR演示功能，讓用戶去體會日晷的工作方式和時間的查看，對古代的計時方式有一定的了解[1]。

1 古代日晷的計量單位

古代日晷從周朝時期就已經(jīng)普及，距今已有三千多年的歷史，日晷主要由晷針和晷面組成，晷針相當(dāng)于現(xiàn)今鐘表的時針，晷面相當(dāng)于鐘表的表盤，晷針垂直插于晷面軸心，晷面外延一般有三個圓圈，內(nèi)圈標(biāo)示天干地支，中圈刻有十二時辰，外圈對應(yīng)每個時辰，再分“初”“正”兩格，由此將一天的時間劃分為十二時辰，二十四小時。如今的“小時”概念，就是由晷面刻度演變而來，而鐘表表面的設(shè)計靈感同樣借鑒了晷面的結(jié)構(gòu)。以日晷擺放的角度區(qū)別，分為地平式、垂直式和赤道式三種，赤道式日晷最為經(jīng)典，日晷在擺放時要平行于赤道，晷針底部指向南極，晷針頂部指向北極，赤道式日晷不僅可以授時，還可以指示節(jié)氣。在一年中的春分和秋分，太陽的運行軌道與赤道平行，晷面無法標(biāo)示時間。《周髀算經(jīng)》記載：“故冬至日晷丈三尺五寸，夏至日晷尺六寸。冬至日晷長，夏至日晷短?！笨梢娫缭谖鳚h時期，古人對日晷進(jìn)行了深入的研究[2]。

太陽在一天中，隨著時間的推移，晷針被太陽投射的陰影由西向東轉(zhuǎn)動，當(dāng)晷面上的晷針影子在晷面西端的卯時位置表示當(dāng)前時辰是早晨；當(dāng)晷針影子在晷面正下方即正北方向時，表示當(dāng)前時辰是正午，太陽此時位于天空正南最高位置；隨著夕陽西斜，晷面上晷針的影子就依次指向未時、申時、酉時等各個時辰，日晷時辰計量如表1所示。

2 項目概述

制作一個古代計時方式之日晷的科普類VR體驗系統(tǒng)，要達(dá)到能讓用戶真實地感受日晷的一切，可以利用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，讓用戶處于古代宮殿的場景，并實地查看日晷受光照的作用將晷針投射到晷面的陰影讀取時辰，從而了解日晷的工作原理，并感嘆古代勞動人民的智慧[3]。

整個項目采用的是3D的一個體驗畫面，配有語音和文字解說，讓用戶可以真正置身其中，該項目支持PC平臺以及安卓端，使用簡單，容易上手，而且采用的是如今流行的使用體驗。

3 設(shè)計思路

依據(jù)古代記載的日晷工作原理，將日晷擺放在古代宮殿的前坪，再創(chuàng)建一個平行光光源，通過光線的180度垂直轉(zhuǎn)動模擬太陽在天空中的光照位置及角度，陽光照射到晷針投射到晷盤的陰影會隨著太陽光的移動實時變化，從而可以在白天不同時間段觀察晷針在晷面陰影計量時辰，太陽光照射晷針在晷面投射陰影的原理如圖2所示。

4 日晷VR 模擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計

模擬太陽光光線轉(zhuǎn)動，主要使用了私有變量timeSpeed，控制模擬太陽光線轉(zhuǎn)動的時間變量，為了體現(xiàn)日晷的工作原理，以2.5秒/次為單位，正常情況下如果要模擬真實環(huán)境該單位應(yīng)該是毫秒級的，時間變化的源代碼如下：

以上源程序是通過模擬太陽轉(zhuǎn)動角度來確定日晷的晷針投影在白天12小時的對應(yīng)時辰指向。

5 日晷VR 模擬仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

日晷VR模擬仿真系統(tǒng)采用三星Oculus平臺，用戶可以通過使用鼠標(biāo)的移動實現(xiàn)人物的方向轉(zhuǎn)變，例如上下移動實現(xiàn)抬頭低頭，通過左右的移動實現(xiàn)人物的左右轉(zhuǎn)身，用戶通過使用鍵盤的W、S鍵或者鍵盤的上下鍵位去前后的行走。在穿越的游戲界面時候通過虛擬搖桿進(jìn)行移動[4]。

在系統(tǒng)初始頁面展現(xiàn)的是古代宮殿的大門，左上角的小地圖提示用戶當(dāng)前所在的位置，左側(cè)“日晷發(fā)展歷史”按鈕可以打開說明窗口介紹古代日晷的發(fā)展歷史，右上角顯示電腦當(dāng)前的時間，采用了古代計時的顯示方法，右側(cè)包含了“退出”“查看日晷”“正常時間”“時間×2”“日晷介紹”“設(shè)置”等按鈕，其中“時間×2”可以使時鐘加快2倍預(yù)覽日晷計時的24小時過程，如圖3所示。

用戶通過佩戴的Oculus眼鏡注視大門三秒，大門上的環(huán)形準(zhǔn)心旋轉(zhuǎn)滿格后，系統(tǒng)觸發(fā)大門緩緩打開，用戶可以隨著地面的箭頭進(jìn)入宮殿，如圖4所示。

當(dāng)用戶進(jìn)入宮殿后，系統(tǒng)自動彈出提示框，并伴隨語音講解介紹日晷的工作原理，如圖5所示。

用戶跟隨路面的箭頭指引走到日晷正前方，移動準(zhǔn)心注視底座上的“赤道日晷”文字，三秒后彈出日晷的說明框，此時會伴隨語音對說明框中文字進(jìn)行解說，用戶可以單擊說明框下的“繼續(xù)了解”和“跳過解讀”決定是否需要了解日晷說明，如圖6所示。

當(dāng)用戶通過準(zhǔn)心控制關(guān)閉說明框后，用戶可以直接觀察到日晷指針的陰影投射到“卯”字時，頁面右上角會顯示“卯時”，指針隨日光投射的陰影是隨著電腦系統(tǒng)的時間實時變化的，如圖7所示。

用戶還可以將準(zhǔn)心移動到“查看日晷”按鈕上，觸發(fā)彈出當(dāng)前時間日晷的投影鏡像，方便用戶在宮殿漫游時隨時查看日晷當(dāng)前的時辰信息，如圖8所示。

當(dāng)用戶使用準(zhǔn)心觸發(fā)“時間×2”按鈕時，日晷石盤上的指針投影會以2倍速度轉(zhuǎn)動，再次觸發(fā)“時間×2”按鈕時，指針投影會再加速2倍轉(zhuǎn)動，當(dāng)用戶體驗過時間的飛速變化及其工作原理后，可以點擊右邊按鈕欄的“正常時間”按鈕，使得時間恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)，如圖9所示。

當(dāng)用戶將準(zhǔn)心對準(zhǔn)“日晷發(fā)展歷史”按鈕后，會打開簡牘提示框閱讀日晷發(fā)展歷史，如圖10所示。

“日晷介紹”按鈕的功能與注視“赤道日晷”底座的交互功能相同，彈出“日晷介紹”說明框?！霸O(shè)置”按鈕主要是調(diào)節(jié)“背景音樂”大小及背景音樂開關(guān)，如圖11所示。

6 小結(jié)

中國上下五千年的歷史蘊含著無數(shù)與計量有關(guān)的文化，是古代勞動人民智慧的結(jié)晶，現(xiàn)代工業(yè)4.0及云物大智的飛速發(fā)展，人們看似不需要日晷這類的古代原始的計量工具，但將古代優(yōu)秀傳統(tǒng)文化以VR的方式展現(xiàn)在世人面前，對于弘揚中華傳統(tǒng)文化具有較為深遠(yuǎn)的意義。