古代計時器日晷VR模擬仿真系統設計與實現

陳愛群　張敏　徐子微

關鍵詞：日晷；Oculus眼鏡；模擬仿真；VR設計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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，每個時辰相當于現在的兩個小時，以一天當中太陽起落的自然規律、天色的變化以及人們日常的作息習慣而歸納總結形成的智慧結晶，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，晷針相當于現今鐘表的時針，晷面相當于鐘表的表盤，晷針垂直插于晷面軸心，晷面外延一般有三個圓圈，內圈標示天干地支，中圈刻有十二時辰，外圈對應每個時辰，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，而鐘表表面的設計靈感同樣借鑒了晷面的結構。以日晷擺放的角度區別，分為地平式、垂直式和赤道式三種，赤道式日晷最為經典，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，晷面無法標示時間。《周髀算經》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。”可見早在西漢時期，古人對日晷進行了深入的研究[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動，當晷面上的晷針影子在晷面西端的卯時位置表示當前時辰是早晨；當晷針影子在晷面正下方即正北方向時，表示當前時辰是正午，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，要達到能讓用戶真實地感受日晷的一切，可以利用VR虛擬現實技術進行設計，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 設計思路

依據古代記載的日晷工作原理，將日晷擺放在古代宮殿的前坪，再創建一個平行光光源，通過光線的180度垂直轉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 模擬仿真系統的設計

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

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

5 日晷VR 模擬仿真系統的實現

日晷VR模擬仿真系統采用三星Oculus平臺，用戶可以通過使用鼠標的移動實現人物的方向轉變，例如上下移動實現抬頭低頭，通過左右的移動實現人物的左右轉身，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行移動[4]。

在系統初始頁面展現的是古代宮殿的大門，左上角的小地圖提示用戶當前所在的位置，左側“日晷發展歷史”按鈕可以打開說明窗口介紹古代日晷的發展歷史，右上角顯示電腦當前的時間，采用了古代計時的顯示方法，右側包含了“退出”“查看日晷”“正常時間”“時間×2”“日晷介紹”“設置”等按鈕，其中“時間×2”可以使時鐘加快2倍預覽日晷計時的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，大門上的環形準心旋轉滿格后，系統觸發大門緩緩打開，用戶可以隨著地面的箭頭進入宮殿，如圖4所示。

當用戶進入宮殿后，系統自動彈出提示框，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行解說，用戶可以單擊說明框下的“繼續了解”和“跳過解讀”決定是否需要了解日晷說明，如圖6所示。

當用戶通過準心控制關閉說明框后，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的時間實時變化的，如圖7所示。

用戶還可以將準心移動到“查看日晷”按鈕上，觸發彈出當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前的時辰信息，如圖8所示。

當用戶使用準心觸發“時間×2”按鈕時，日晷石盤上的指針投影會以2倍速度轉動，再次觸發“時間×2”按鈕時，指針投影會再加速2倍轉動，當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，使得時間恢復正常運轉，如圖9所示。

當用戶將準心對準“日晷發展歷史”按鈕后，會打開簡牘提示框閱讀日晷發展歷史，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。“設置”按鈕主要是調節“背景音樂”大小及背景音樂開關，如圖11所示。

6 小結

中國上下五千年的歷史蘊含著無數與計量有關的文化，是古代勞動人民智慧的結晶，現代工業4.0及云物大智的飛速發展，人們看似不需要日晷這類的古代原始的計量工具，但將古代優秀傳統文化以VR的方式展現在世人面前，對于弘揚中華傳統文化具有較為深遠的意義。