数字天象系统、 球幕和处理数据的方法 技术领域 本发明涉及模拟星空表演的科普仪器， 特别是指一种数字天象系统、 球幕和处理 数据的方法。
背景技术 天象仪， 是一种模拟星空表演的科普仪器。该天象仪可以在一个半球型天幕上演 示人在地球上不同经纬度看到的各类天体。 如日月星辰的升降运行， 行星在恒星中穿行， 地 球自转轴的岁差运动等等。天象仪分为光学天象仪和数字天象仪两种。光学天象仪和数字 天象仪相比， 各有千秋。
传统的天象节目表演， 是采用光学天象仪投射出的模拟星空的全天域图像， 配以 其他动态或静态图像来完成表演。光学天象仪亮度高， 放映出的星星有耀眼感， 图像清晰 ； 缺点是节目少， 较枯燥， 不灵活， 节目的制作要求高， 放映球幕影片需要和 70mm 胶片放映机 配合使用。
数字天象仪操作灵活， 节目来源广泛， 投出的星象位置准确， 还可以单独放映数字 格式的各种节目。所有显示的图像， 包括星空的表现， 都是由计算机计算生成， 并通过投影 设备表演出来的， 从而提供实时的、 高画质的虚拟宇宙漫游。
随着计算机数字技术的发展， 数字天象仪已逐渐取代光学天象仪的地位， 不仅仅 作为天文天象表演设备同时也是数字球幕电影的播放设备。 随着大家对科学普及工作的重 视， 大型数字天象厅和数字球幕剧场的数量不断增加， 建设直径 18 米以上的大型数字球幕 剧场成为各大天文馆、 科技馆和博物馆的趋势。
然而大型球幕剧场由于投资成本高， 建设周期长， 场馆固定和球幕不可拆卸性， 逐 渐显现出了不适合小型科技馆、 低成本科普流动站 ( 车 ) 和中小学推广科普教育的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用领域广泛的数字天象系统、 球幕和处理 数据的方法。
为解决上述技术问题， 本发明提供技术方案如下 ：
一方面， 提供一种数字天象系统， 包括 ：
一计算装置， 用于获取星空数据， 并对所述星空数据进行星空化处理， 生成一星空 图像数据， 并将所述星空图像数据还原成星空图像输出 ；
至少一投影装置， 用于接收所述星空图像， 并将所述星空图像投射出去 ；
一可拆卸球幕， 用于接收所述投影装置投射出来的所述星空图像， 并显示所述星 空图像。
另一方面， 还提供一种球幕， 包括 ：
一可拆卸圆柱形支架， 具有一倾斜顶面 ；
一可拆卸半球形支架， 固定在所述圆柱形支架上， 其底部开口面与所述圆柱形支架的所述倾斜顶面吻合 ；
一半球形内层投影幕布， 伸展开后固定在所述半球形支架上 ；
一半球形外层遮挡幕布， 伸展开后与所述半球形内层投影幕布结合成一个密封 体；
一抽气机， 安装在所述半球形外层遮挡幕布上， 所述抽气机进行抽气时， 所述内层 投影幕布和所述外层遮挡幕布之间形成负压， 所述内层投影幕布和所述外层遮挡幕布固定 在所述半球形支架上。
再一方面， 还提供一种处理数据的方法， 用于数字天象系统， 包括 ：
多星表中获取星空数据 ；
对所述星空数据进行星空化处理， 生成一星空图像数据 ；
将所述星空图像数据还原成星空图像 ；
将所述星空图像输出到所述数字天象系统中的投影装置， 并由所述投影装置将所 述星空图像输出到所述数字天象系统的球幕上进行显示。
本发明的实施例具有以下有益效果 ：
上述方案通过开放的计算装置获取星空数据， 经过处理后可获取星空图像， 可以 模拟真实天文现象 ； 且通过可拆卸的球幕， 大大扩大了其应用领域。 附图说明
图 1 为本发明的实施例数字天象系统的结构框架示意图 ； 图 2 为图 1 所示数字天象系统中的计算装置的具体结构示意图 ； 图 3 为图 2 所示计算装置中的处理模块的具体结构示意图 ； 图 4 为图 2 所示计算装置中的输出模块的具体结构示意图 ； 图 5 为数字天象系统中的球幕的具体结构示意图 ； 图 6 为图 5 所示球幕的正视图 ； 图 7 为图 5 所示球幕覆盖上内层投影幕布和外层遮挡幕布及抽气机后的示意图 ； 图 8 为图 5 所示球幕的纵向剖视图 ； 图 9 为图 5 所示球幕的俯视图 ； 图 10 为单台投影装置将星空图像投射到球幕上的示意图 ； 图 11 为双台投影装置将星空图像投射到球幕上的示意图 ； 图 12 为本发明的实施例处理数据的方法的流程示意图。具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合 附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例针对现有技术中大型球幕剧场投资成本高， 建设周期长， 场馆固 定和不可拆卸性的问题， 提供一种高度集成化的数字天象系统、 球幕和处理数据的方法。
如图 1 所示， 本发明的数字天象系统， 包括 ：
计算装置 10， 用于获取星空数据， 并对所述星空数据进行星空化处理， 生成一星空 图像数据， 并将所述星空图像数据还原成星空图像输出 ；至少一投影装置 20， 用于接收所述星空图像， 并将所述星空图像投射出去 ；
可拆卸球幕 30， 用于接收所述投影装置投射出来的所述星空图像， 并显示所述星 空图像。
在该实施例中， 该计算装置 10 可以是一台计算机， 也可以是一数字天象仪， 该计 算装置 10 通过获取星空数据， 根据该星空数据， 可以根据观测者所处的时间和地点， 计算 天空中太阳、 月球、 行星和恒星的位置， 并将其输出， 它还可以绘制星座、 模拟天文现象 ( 如 流星雨、 日食和月食等 )， 实时演示当时、 当地星空并可显示包括行星、 恒星、 星云、 星系的中 国及国际名称、 星座连线、 星座界线、 星座艺术图像、 行星指示及明亮的月球旁边的月晕效 果， 可选择显示方位 / 高度坐标网格、 赤经 / 赤纬坐标网格， 并可在地平坐标与赤道坐标两 个体系间切换 ； 能够演示不同的时间不同的速度下天空的景象以及可演示流星雨、 日食、 月 食、 掩星等天文现象 ； 还可演示全天 9 等星 43 万个天体目标， 超过 60 万个恒星 ； 放大或者 标记你所感兴趣的项目 ； 可以查看超过 100 多个深空物体的景象 ； 可以查看星座的轮廓、 名 称， 观看每个星座的图像或者整个星空的星座图像。
该计算装置 10 所演示的这些天文现象， 都可以被称为星空图像数据， 最后还原成 三维立体星空图像由投影装置 20 投射到球幕 30 上， 并在球幕 30 上逼真的显示出来。 如图 2 所示， 该计算装置 10 可具体包括 ：
获取模块 101， 从该星表中获取的星空数据 ； 该星空数据可以是实时星空数据， 也 可以是非实时星空数据 ； 该实时星空数据可以通过符合国际通用的第三方星表获取， 并存 储在该计算装置 10 中， 该星表中的数据可以更新， 也可以让用户手动修改 ； 非实时星空数 据是对实时星空数据的回放， 如， 要播放一些复杂星空图像数据的节目， 可以事先对节目在 非实时方式下进行处理， 处理好的节目存储在该计算装置 10 中， 根据具体需求， 可以选择 回放这些节目 ；
存储模块 102， 用于存储上述获取模块 10 所获取的星空数据 ； 该存储模块 10 可以 是计算机的存储设备， 该存储设备可以是硬盘、 内存、 闪存、 USB 存储设备中任一种 ；
处理模块 103， 从该存储模块 102 中读取该星空数据， 并对该星空数据进行渲染处 理， 生成星空图像数据， 并将该星空图像数据还原成的星空图像 ；
输出模块 104， 用于输出该星空图像。
该星空图像数据可以是根据上述实时星空数据计算出来的实时天文现象影片， 也 可以是在非实时方式下已经制作好的数字球幕专用影片， 无论是实时天文现象影片还是已 经制作好的数字球幕专用影片， 都可以进行回放这些影片， 若是实时天文现象影片时， 可以 将该实时天文现象影片在播放时进行录制， 并存储在该计算装置中， 在回放时， 直接从该计 算装置 10 中读取 ； 若是已经制作好的数字球幕影片， 直接从该计算装置 10 中读取， 进行回 放即可 ； 这样， 该系统无论在何时， 何地观看该影片， 都可以通过调用该计算装置 10 中的影 片， 进行播放， 可以应用到低成本科普流动站 ( 车 ) 和中小学推广科普教育， 扩大其应用领 域。
如图 3 所示， 上述处理模块 103 可具体包括 ：
渲染单元 1031， 用于利用星空渲染引擎调用星空数据库获取该星空数据和该渲 染参数信息， 并对该星空数据和渲染参数信息进行三维图形化处理， 生成三维星空图像数 据；
解码单元 1032， 用于对该三维星空图像数据进行解码， 生成星空图像。
该实施例中， 该渲染单元 1031 可以是该计算装置 10 内置的星空渲染引擎， 将星空 数据 3D 星空化。以计算机为例， 具体过程是 ： 计算机的 CPU 负责调用星空数据信息和处理 交互指令， GPU( 图像处理器 ) 则利用渲染引擎调用计算机的 open GL 库将数据三维图形化。 所需的数据信息首先从硬盘调用到内存中， GPU 再从内存中选取渲染所需信息调入到显存 中， 最后由显卡输出图像。
当然， 这样将星空数据 3D 星空化的过程不局限于此， 还可以采用其它方式进行处 理， 如利用专用天象仪的处理流程进行处理， 同样可以得到星空图像数据。播放影片时， 可 以调用对应解码器进行解码， 将压缩数据还原成图像输出。
另外， 如图 4 所示， 该计算装置 10 的输出模块 104 包括 ：
图像变形处理单元 1041， 用于根据所述球幕的尺寸， 对所述星空图像进行变形处 理， 生成适合所述球幕显示的星空图像 ； 和/或
硬件加速单元 1042， 用于将适合所述球幕显示的星空图像采用硬件加速模式进行 输出。
该实施例中， 播放时可以采用硬件加速模式。 对于球幕影片， 由于在球幕上播放影 片是存在形变， 那么在处理影片时需要对原始图形做变形处理， 在观看时保证正常的视觉 效果。 在具体输出影片时， 还可以将数字照片输出到球幕上， 如同在剧场的中央有一台 虚拟的半球状幻灯机一样。数字照片可以显示在球幕上作为场景的背景、 旅游风景或者宇 宙中其它星球的天文照片。
在本发明的上述数字天象系统中， 具体来讲， 投影装置可以为一投影机， 该投影机 具有可调角度的鱼眼广角镜头和范围为 768*768-1920*1920 的分辨率， 该实施例中， 采用 鱼眼广角镜头可以扩大投射范围以及提高图像的清晰度。
在当投影装置为一台投影机时， 该投影机的鱼眼广角镜头的可调角度为 ： 160 度 -180 度， 分辨率为 768*768-1080*1080。
而当投影装置为两台投影机时， 投影机的鱼眼广角镜头的可调角度 100 度 -120 度， 分辨率为 1024*1024-1920*1920， 鱼眼广角镜头处还设置有一光学遮光片， 遮光片用于 对所述投影机所投射的重叠区域内图像进行融合处理， 融合处理后的图像就像从一台投影 机投射出来一样， 融合处理的过程可以采用现有技术中任何一种图像融合处理技术。
当投影装置为三台或者三台以上投影机时， 其鱼眼广角镜头的可调角度为 80 度 -90 度， 分辨率为 768*768-1920*1920。
如图 5 所示， 本发明的实施例的数字天象系统中的球幕 30 可具体包括 ：
一可拆卸圆柱形支架 301， 其具有一倾斜顶面 3011 ；
一可拆卸半球形支架 302， 其固定在该圆柱形支架 301 上， 其底部开口面 3021 与该 圆柱形支架 301 的该倾斜顶面 3011 吻合 ；
一半球形内层投影幕布 303， 其伸展开后固定在该半球形支架 302 上， 用于显示上 述星空图像 ；
一半球形外层遮挡幕布 304， 其伸展开后与该半球形内层投影幕布 303 结合成一 个密封体 ；
一抽气机 305， 其安装在该半球形外层遮挡幕布 304 上， 该抽气机 305 进行抽气时， 该内层投影幕布 303 和所述外层遮挡幕布 304 之间形成负压， 并固定在该半球形支架 302 上。
图 6 为图 5 所示球幕的正视图 ；
图 7 图 5 所示球幕覆盖上内层投影幕布 303 和外层遮挡幕布 304 及抽气机 305 后 的示意图 ；
如图 8 所示， 为图 5 所示的球幕的纵向剖视图， 上述圆柱形支架 301 包括 ：
一底圈梁 306， 一顶圈梁 307 以及至少两个立柱形龙骨 308， 该立柱形龙骨 308 与 该底圈梁 306 或者顶圈梁 307 可拆卸连接。具体来讲， 可以采用螺栓或卡扣连接， 这样使球 幕结构稳定， 易于拆卸与安装。
图 9 为上述球幕的俯视图， 上述半球形支架 302 可包括 ：
一球底图梁 309， 至少两个弧状龙骨 310， 该弧状龙骨 310 的一端与球底圈梁 309 可拆卸连接， 至少两个弧状龙骨 310 的另一端连为一体， 形成该半球形支架 302 的球顶 311。 该弧状龙骨 310 的一端与球底圈梁 309 具体连接方式可以采用螺栓或卡扣连接， 这样使球 幕结构稳定， 可有效防止球幕变形， 易于拆卸与安装。 其中， 上述圆柱形支架 301 和半球形支架 302 中， 龙骨可以为铝合金材料制成的龙 骨， 且具有可折叠性， 这样使整个球幕结构更加稳定， 可有效防止球幕变形， 所有安装接头 处都可以由螺栓或卡扣连接。整个球幕重量适中， 易于拆卸与安装。
另外， 在内层投影幕布 303 和外层遮挡幕布 304 结合成密封体时， 可以通过拉链结 合成一体， 所述拉链部位还附着有粘扣带， 防止漏气。且该外层遮挡幕布 304 可以采用绒 布， 安装在外层遮挡幕布 304 上的抽气管道连接着抽气机， 随着抽气机的工作使双层幕布 之间形成负压， 并牢固附着于龙骨之上， 由于内外层遮挡幕布的半径差从而使内层投影幕 布形成一个稳定的半球状。 内层投影幕布选用优质投影软幕， 内表面喷涂白色涂料， 增益在 0.8 ～ 1， 可以保证幕布的亮度和投射在幕布上的图像清晰度。
该数字天象系统在具体应用中， 可根据实际情况采用一台投影机或者两台投影机 或者两台以上的投影机作为上述投影装置 20， 如图 10 所示， 在使用一台投影机时， 该投影 机的鱼眼广角镜头的可调角度为 ： 160 度 -180 度， 分辨率为 768*768-1080*1080 ； 该投影机 可旋转在球幕的中心位置， 根据实际球幕的半径调整投影在球幕中心点的位置。从图中可 以看出鱼眼镜头的角度决定了投影机距离球幕底边的距离， 投影机的投射像素决定了在保 证图像质量的情况下使用单台投影机的球幕直径≤ 8 米。
如图 11 所示， 在使用两台投影机时， 投影机鱼眼广角镜头的可调角度为 100 度 -120 度， 分辨率为 1024*1024-1920*1920， 分别位于球幕的正前和正后方。 从图中可以看 出对于球幕系统而言， 只需要投射球幕底边以上的部分。投影机投射到球幕底边以下的光 线需要在镜头处做遮光处理， 投射到球幕天顶区域的图像有部分重叠， 在这个部位采用遮 光片对图像进行融合， 使重叠部分的图像看起来像是从一台投影机中投射出来一样， 可以 做到图像的无缝拼接， 融合方法可以采用现有的任何一种图像融合方法， 经过融合后的图 像像素能够达到单台投影机投射像素的 1.5 倍， 从而使选用球幕的直径范围扩大到 10 米。
当投影装置为三台或者三台以上时， 其鱼眼广角镜头的可调角度为 80 度 -90 度， 分辨率为 768*768-1920*1920。
综上， 本发明的数字天象系统， 包括了计算装置 10， 投影装置 20 以及可拆卸球幕 30， 而且还可包括音响系统， 具有高度集成化的特点， 不但能够通过该计算装置真实模拟世 界各地任何时间的星空星象， 同时也能进行全球幕视频节目回放， 与其他类型的剧场比较， 具有视角宽广、 沉浸感强、 主题突出、 科技含量高、 效果逼真等特点， 播放内容涵盖地理、 历 史、 人文、 科技、 医学等多方面的影视节目。该数字天象系统中的各设备不仅是天文科普的 主要仪器， 也将球幕影院的全部功能涵盖其中， 大大扩展了应用领域， 提供了一种不仅局限 天文的， 还可进行多功能教育、 娱乐的设施。 由于体积相对较小， 安装拆卸方便， 安全环保等 特点使其非常适用于小型科技馆、 科普流动车、 主题公园、 学校、 社区科普中心等。
该计算装置作为投影系统图像的来源， 不但可以作为数字天象仪， 还可以播放实 时渲染的天体运动并可作为球幕影院来播放专门制作的影片。
而且数字天象仪界面和球幕播放界面可以在同计算装置的一个软件界面下控制， 用户可随时切换天象表演和球幕节目。
而且该计算装置还可以具有一个无线手持设备， 利用该无线手持设备远程控制提 供行业内最好的易用性设备。它易学易用， 图标直观， 任何用户都可以方便的使用它。无需 设置单独的控制计算机， 不需要复杂的软件接口和专业的放映人员， 即可播放影片和星空 演示。
上述的整套数字天象系统结构简单， 便于安装与拆卸， 便携式球幕的安装和拆卸 只需要 10 ～ 15 分钟的时间， 方便快捷 ； 且球幕材质通过严格的检测标准， 阻燃性高 ； 整套 系统基于开放的 PC 架构， 系统兼容性良好、 运行稳定性。模块化的系统设计意味着在以后 的升级也很方便， 容易升级到更高的版本， 打补丁， 添加新功能， 使用户切实体会到其优越 性。
另外， 本发明的实施例还提供一种处理数据的方法， 该方法用于数字天象系统， 包 括：
步骤 121， 获取星空数据 ； 该星空数据可以是实时星空数据， 也可以是非实时星空 数据 ； 该实时星空数据可以通过符合国际通用的第三方星表获取， 并存储在数字天象系统 的计算装置中， 该星表中的数据可以更新， 也可以让用户手动修改 ； 非实时星空数据是对 实时星空数据的回放， 如， 要播放一些复杂星空图像数据的节目， 可以事先对节目在非实时 方式下进行处理， 处理好的节目存储在该计算装置中， 根据具体需求， 可以选择回放这些节 目；
步骤 122， 对所述星空数据进行星空化处理， 生成一星空图像数据， 并将该星空图 像数据还原成星空图像 ；
步骤 123， 将所述星空图像输出到所述数字天象系统中的投影装置， 并由所述投影 装置将所述星空图像输出到所述数字天象系统的球幕上进行显示。
该星空图像数据可以是根据上述实时星空数据计算出来的实时天文现象影片， 也 可以是在非实时方式下已经制作好的数字球幕专用影片， 无论是实时天文现象影片还是已 经制作好的数字球幕专用影片， 都可以进行回放这些影片， 若是实时天文现象影片时， 可以 将该实时天文现象影片在播放时进行录制， 并存储在该计算装置中， 以回放时， 直接从该计 算装置中读取 ； 若是已经制作好的数字球幕影片， 直接从该计算装置中读取， 进行回放即 可； 这样， 该系统无论在何时， 何地观看该影片， 都可以通过调用该计算装置中的影片， 进行播放， 可以应用到低成本科普流动站 ( 车 ) 和中小学推广科普教育， 扩大其应用领域。
其中， 上述步骤 122 可具体包括 ：
步骤 1221， 利用星空渲染引擎调用星空数据库， 获取所述星空数据和渲染参数信 息；
步骤 1222， 将所述星空数据和所述渲染参数信息进行三维图形化处理， 生成三维 星空图像数据 ；
步骤 1223， 在所输出所述星空图像前， 对所述三维星空图像数据进行解码， 生成所 述星空图像。
以计算机为例， 上述步骤的具体过程是 ： 计算机的 CPU 负责调用星空数据信息和 处理交互指令， GPU( 图像处理器 ) 则利用渲染引擎调用计算机的 open GL 库将数据三维图 形化。所需的数据信息首先从硬盘调用到内存中， GPU 再从内存中选取渲染所需信息调入 到显存中， 最后由显卡输出图像。
当然， 这样将星空数据 3D 星空化的过程不局限于此， 还可以采用其它方式进行处 理， 如利用专用天象仪的处理流程进行处理， 同样可以得到星空图像数据。播放影片时， 可 以调用对应解码器进行解码， 将压缩数据还原成图像输出。 其中， 上述步骤 123 可具体包括 ：
步骤 1231， 对所述星空图像进行变形处理， 生成适合数字天象系统中球幕显示的 星空图像 ；
步骤 1234， 将适合所述球幕显示的星空图像采用硬件加速模式进行输出。
该实施例中， 播放时可以采用硬件加速模式。 对于球幕影片， 由于在球幕上播放影 片是存在形变， 那么在处理影片时需要对原始图形做变形处理， 在观看时保证正常的视觉 效果。 在具体输出影片时， 还可以将数字照片输出到球幕上， 如同在剧场的中央有一台虚拟 的半球状幻灯机一样。数字照片可以显示在球幕上作为场景的背景、 旅游风景或者宇宙中 其它星球的天文照片。
该方法通过获取星空数据， 根据该星空数据模拟出实时渲染的天体运动并可作为 球幕影院来播放专门制作的影片， 强大的 3D 图形实时渲染引擎， 以实时方式来渲染复杂和 高细节度的模型并将其投影播放在球幕上。节目表演时， 计算机使用存放在硬盘数据库中 的模型数据， 并根据实时指令来控制节目数据。 提供了一种不仅局限天文的， 还可进行多功 能教育、 娱乐的设施。由于体积相对较小， 安装拆卸方便， 安全环保等特点使其非常适用于 小型科技馆、 科普流动车、 主题公园、 学校、 社区科普中心等， 大大扩展了数字天象系统的应 用领域。
以上所述是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员 来说， 在不脱离本发明所述原理的前提下， 还可以作出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。