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kagaya

三维星空模拟软件评测

我们在地球上看到的星空是无数天体在夜幕上的投影,分不出远近。直到最近两百年人类才开始逐步测量出诸多星体的距离,并籍此认清我们在宇宙中的位置。但是对于长年被引力束缚在大地上的人们来说,进入太空还是个遥不可及的梦想,无从感受星原的广袤和寰宇的寂寥。当夜空从城市的霓虹间消隐,我们对太空的认识就全由特效华丽的科幻电影和纪录片包办,为了娱乐而渐渐远离了真实。就连地球和月球之间大小和距离的真实比例这种基本问题,也没多少人能有清晰的认识。虽然从小学生自然课本到大学专业教材上都有简化的示意图,但所有的书籍都为了保证显示效果而严重夸大了星球的体积。因为空间的尺度实在太大了,日地月三者之间的相对位置根本无法在保持星球比例的前提下显示出来。这缺失的一课只能通过多媒体来补。美国建筑师Eames夫妇在1977年制作了短片“十的次方”(Powers of Ten),在短短十分钟内呈现了整个宇宙从微观到宏观的全部尺度,影响深远。但固定的视角是电影电视的局限。如果想体验更灵活随意的星际漫游,就只能借助三维星空软件。这类软件一向是科技馆和天文馆的招牌,不过随着技术的发展,现在的家用电脑也能够达到很好的效果。

其实,我五年前在一篇评述星图软件的日志中曾提到过这类软件,不过当时兴趣不在这方面就没有多谈。现在要寻找合适的教学工具才重新关注。如今这类软件无论功能还是效果都有了不小的提升,重新汇总比较一下,也算是对当年材料的更新补充。

  • Celestia:可以说这是最早也是最成功的空间模拟软件。2001年由Chris Laurel发布之后,倍受众多天文爱好者和教育机构的推崇,社区中人气颇旺。因为是开源软件,不仅跨平台,还有数量众多的插件和模版。允许用户自行定制演示脚本是它最大的亮点。可以据此构建各种场景,灵活应用于教学演示活动。 Chris Laurel 也在此基础上开发了三维太阳系的 Mac 版应用软件CosmographiaiOS版本也不贵,3$),可与solar walk (iOS版)一较高下。

    为了照顾教学活动的需求,开发社区还专门提供了适合演示的教育版。教育版不仅在软件界面上增加了显示控制面板,还提供了多达2G的专用演示文件和相关贴图资源。 其中的讲解脚本都由美国高中老师Frank Gregorio 撰写,是非常好的天文教学资源。
    celestia

    Celestia 默认的安装包并不大,只有34M,只能满足最简单的演示需要。如果要追求显示效果的话,还需要深度定制。比如加载高清地球卫星地图高清月球地图,各类小天体和航天器的贴图,还有恒星和星系的详细资料等等,甚至连神舟飞船都已经有模版可用。只要设置得当,最终可以达到令人惊叹的效果。美中不足的是目前银河系的模拟效果还很不理想,棉絮一样的气体尘埃很煞风景,而且目前也没有办法通过插件修正,只能等新版改进渲染方法。不管怎样,单因为开源,就有无限的可能。

  • Deep Space Explorer 可能是本类型中最早的商业软件(2001年)。与著名的星空模拟软件Starry Night出自同一家公司。软件并没有将整个宇宙放在同一个空间框架内展示,而是分成不同层次的场景,比如太阳系、银河系和河外星系等等。这样虽然容易实现,但人为分隔了空间,破坏了画面的连续感。即使是效果不错的三维场景,比如模拟日月食,重现探测器飞行历程等具体历史事件,也并未赢得用户的赞许。当年的市场也是反应平淡。这个软件就此终结。在Starry night pro 4/5系列相继获得成功之后,他们又在 6.0 版本中重新加入这部分功能,作为附加内容展示(在 Favourite 菜单内)。不过并没有实质性的变化,这些动画般的场景我们已经在纪录片中看得够多,无怪乎很多用户直到卸载都不知道 Starry Night 还有空间三维显示的功能。
    starrynight6
  • Digital Universe,2003 年美国海登天文馆与自然历史博物馆基于一个叫 Partview的可视化工具联合开发了一系列三维星图。包括星座视差、银河系,河外星系分布等几份针对中小学生的教案样例。效果不错,不过由于平台自身的限制,普通用户上手比较困难,所以不太出名。而这几年也基本没有增加新的内容。
    partview

    他们所用的平台其实大有来头。Partview 是由美国国家超级计算应用中心开发维护的数据可视化工具。代码使用 C++/OpenG 编写,程序开源跨平台。虽然用户界面看着有点简陋,交互性也稍微差一点,但脚本功能强悍,扩展定制非常方便,无论是时间控制还是坐标变换都不在话下。显示效果和速度也很不错,用来做演示视频非常理想,很对专业人员的胃口。比如斯隆数字巡天( SDSS )数据的 三维红移分布 ,银心附近的恒星运动 视频 ,甚至阿根延的 Pierre Auger 天文台的高能粒子大气簇射演示都是用这个软件制作的。
    GCG_2000

  • Mitaka,这个软件属于日本国立天文台的四维数字宇宙项目,由开发者 Tsunehiko Kato 在 2005 年首次发布。它的名称来自于日本国立天文台总部,四维数字宇宙剧场的所在地——三鹰市。它能在地球和大尺度结构之间进行不间断的连续缩放,完美实现了对“10的次方”中太空部分的三维建模。视角切换流畅,显示效果出众。包括小行星带、奥尔特云、以及银河系在内的诸多弥散天体都模拟的十分出色。而且所有数据均来自专业观测数据(甚至包括SDSS 巡天),真实可靠。用来演示宇宙尺度、介绍各类天体的空间分布再合适不过了。甚至有纪录片和音乐MV直接拿它的画面来做特效。时间的流逝的功能不太好找,其实是靠软件右上角一对绿色的正负号来控制的。C++源码公布在日文版网站上。也有人开发了相应的衍生版Mitaka ++,和用于苹果系统的 Mitaka Plus。

    mikata

  • MPL3D Solar System 由西班牙人 Manuel Perez de Lema Lopez 开发。虽然是 2005 年推出的商业软件,但是无论网站还是软件都散发着 Win98 时代的气息。图像渲染的效果也成功地保持了那个时代的水平。用来怀旧不错,想体验星际航行就算了。试用版有 7 天 15 次的使用限制。
  • Universe Sandbox 无疑是新兴软件中最出色的一个。由美国的视频游戏程序员 Dan Dixon 开发, 2008 年首次发布。严格来讲,这款软件与前面介绍的不是一类。它是引力模拟沙盒,也就是根据物体所受的引力作用,实时计算运动轨道的软件。但它并未像 AstroGravGravity SimulatorGravit等引力模拟软件一样,局限于粒子运行轨道的描绘。它得益于开发者的从业背景,凭借精美的渲染和光照效果,再加上流畅的缩放,实现了相当出色的三维宇宙模拟效果。不过这是收费软件,而且目前只有 Windows 版。
    sandbox
    在试用版中,它提供了丰富的演示范例,甚至还包括了银河系和仙女座大星系的并合过程。在这个例子中它只考虑了引力作用,也可以加上粒子碰撞。这种碰撞模型业内称作“ dry merging ”(干并合)。由于没有气体的阻滞和暗物质势阱的束缚(粒子数目偏少也是原因之一),星系核球在碰撞后迅速瓦解,像干燥的沙砾一样四散开来。这同实际情况有不小的差别。不过对于理解引力在这个过程中所扮演的角色还是很有帮助的。而且,把画面定格在任意的瞬间,从不同的角度去观察整个过程也是十分享受的体验。 sandbox3

    作为一个沙盒,它最大的特点自然是让玩家随意按照自己的想法来设计星球,构建宇宙,然后观察系统的运行。原则上,用户可以随意摆放天体,设计参数,可以有无限的可能。比如更改太阳系的初始参数,摆放稳定的三星系统、或者设计卫星的发射路线等等,都是有挑战性的目标。软件本身在其中的 Fun things to do 中也给出了一些例子。不过,只有付费用户才能创建自己的模版,价格:10 美刀。

  • WorldWide Telescope(WWT) 万维网望远镜是微软与谷歌竞争的产物。 2008 年推出的时候只是为了避免 Google sky 一家独大。直到今天也没有明确的方向。这种公益性项目对于超级公司的价值无非是提升品牌形象,贡献知名度而已。但不管怎么说,用户因此多了一个选择。
    WWT2
    WWT 的容量不算大,可载入速度却很不理想,内存占用率也相当高。前面安装程序最大的 Starry Night Pro 6 启动后只用了 80M 内存, SandBox Universe 在运行星系碰撞时也不过 120M, 而 WWT 打开后就有 250M, 稍微一缩放就飙升到 380M ,显示小行星时更要占到 500M 以上,绝对是这个列表里最卡的。平心而论, WWT 在从恒星过渡到星系时,效果尤其出众,看明亮炽热的星体倏然化作细碎的浮尘悬驻在无尽的黑暗之中,但还来不及感慨,画面不时的卡顿和不尽如人意的操控就将人带回到烦躁不安的现实中来。当然,如果你有不错的台式机,不妨一试。

在用过几个软件之后,你会发现其中的内容大同小异。大部分明亮的星辰都只是模糊不清的亮点,有一个长长的编号作为标记。而它们很可能像太阳一样,有众多的行星,上面有山川丘陵、高原盆地,也许还孕育着生命,有着独特的文明……可是我们目前所知道的全部,不过是一个无意义的编号,和一个远得无法到达的距离……就像童年时望着地图发呆,对着上面一个个陌生的地名浮想联翩。也许,我们永远都不会去那些地方,但也许有一天,听身边的某个朋友谈起家乡时,你会说“哈!我知道那个地方~”

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