古代计时器日晷VR模拟仿真系统设计与实现

陈爱群　张敏　徐子微

关键词：日晷；Oculus眼镜；模拟仿真；VR设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）08-0098-04

中国古代计时方法是与天文测量分不开的，年、月、日、时都离不开对天象的观测。自古以来形成的计时单位都是由古人几千年来结合了时间的计量方法与朝代的历法，古代劳动人民将线性的时间划分成若干等量刻度，把一昼夜划分成十二时段，十二时辰也根据中国十二生肖的动物出没时间来命名各个时辰，每个时段计为一个时辰，每个时辰相当于现在的两个小时，以一天当中太阳起落的自然规律、天色的变化以及人们日常的作息习惯而归纳总结形成的智慧结晶，一年之初为正，一日之始为朔，古人用夜半子时合朔作为起始点来计算历法，今天，人们接触的都是电子手表或者手机上的时间显示，对于古代的计时工具非常的陌生，本系统借助Oculus眼镜的VR演示功能，让用户去体会日晷的工作方式和时间的查看，对古代的计时方式有一定的了解[1]。

1 古代日晷的计量单位

古代日晷从周朝时期就已经普及，距今已有三千多年的历史，日晷主要由晷针和晷面组成，晷针相当于现今钟表的时针，晷面相当于钟表的表盘，晷针垂直插于晷面轴心，晷面外延一般有三个圆圈，内圈标示天干地支，中圈刻有十二时辰，外圈对应每个时辰，再分“初”“正”两格，由此将一天的时间划分为十二时辰，二十四小时。如今的“小时”概念，就是由晷面刻度演变而来，而钟表表面的设计灵感同样借鉴了晷面的结构。以日晷摆放的角度区别，分为地平式、垂直式和赤道式三种，赤道式日晷最为经典，日晷在摆放时要平行于赤道，晷针底部指向南极，晷针顶部指向北极，赤道式日晷不仅可以授时，还可以指示节气。在一年中的春分和秋分，太阳的运行轨道与赤道平行，晷面无法标示时间。《周髀算经》记载：“故冬至日晷丈三尺五寸，夏至日晷尺六寸。冬至日晷长，夏至日晷短。”可见早在西汉时期，古人对日晷进行了深入的研究[2]。

太阳在一天中，随着时间的推移，晷针被太阳投射的阴影由西向东转动，当晷面上的晷针影子在晷面西端的卯时位置表示当前时辰是早晨；当晷针影子在晷面正下方即正北方向时，表示当前时辰是正午，太阳此时位于天空正南最高位置；随着夕阳西斜，晷面上晷针的影子就依次指向未时、申时、酉时等各个时辰，日晷时辰计量如表1所示。

2 项目概述

制作一个古代计时方式之日晷的科普类VR体验系统，要达到能让用户真实地感受日晷的一切，可以利用VR虚拟现实技术进行设计，让用户处于古代宫殿的场景，并实地查看日晷受光照的作用将晷针投射到晷面的阴影读取时辰，从而了解日晷的工作原理，并感叹古代劳动人民的智慧[3]。

整个项目采用的是3D的一个体验画面，配有语音和文字解说，让用户可以真正置身其中，该项目支持PC平台以及安卓端，使用简单，容易上手，而且采用的是如今流行的使用体验。

3 设计思路

依据古代记载的日晷工作原理，将日晷摆放在古代宫殿的前坪，再创建一个平行光光源，通过光线的180度垂直转动模拟太阳在天空中的光照位置及角度，阳光照射到晷针投射到晷盘的阴影会随着太阳光的移动实时变化，从而可以在白天不同时间段观察晷针在晷面阴影计量时辰，太阳光照射晷针在晷面投射阴影的原理如图2所示。

4 日晷VR 模拟仿真系统的设计

模拟太阳光光线转动，主要使用了私有变量timeSpeed，控制模拟太阳光线转动的时间变量，为了体现日晷的工作原理，以2.5秒/次为单位，正常情况下如果要模拟真实环境该单位应该是毫秒级的，时间变化的源代码如下：

以上源程序是通过模拟太阳转动角度来确定日晷的晷针投影在白天12小时的对应时辰指向。

5 日晷VR 模拟仿真系统的实现

日晷VR模拟仿真系统采用三星Oculus平台，用户可以通过使用鼠标的移动实现人物的方向转变，例如上下移动实现抬头低头，通过左右的移动实现人物的左右转身，用户通过使用键盘的W、S键或者键盘的上下键位去前后的行走。在穿越的游戏界面时候通过虚拟摇杆进行移动[4]。

在系统初始页面展现的是古代宫殿的大门，左上角的小地图提示用户当前所在的位置，左侧“日晷发展历史”按钮可以打开说明窗口介绍古代日晷的发展历史，右上角显示电脑当前的时间，采用了古代计时的顯示方法，右侧包含了“退出”“查看日晷”“正常时间”“时间×2”“日晷介绍”“设置”等按钮，其中“时间×2”可以使时钟加快2倍预览日晷计时的24小时过程，如图3所示。

用户通过佩戴的Oculus眼镜注视大门三秒，大门上的环形准心旋转满格后，系统触发大门缓缓打开，用户可以随着地面的箭头进入宫殿，如图4所示。

当用户进入宫殿后，系统自动弹出提示框，并伴随语音讲解介绍日晷的工作原理，如图5所示。

用户跟随路面的箭头指引走到日晷正前方，移动准心注视底座上的“赤道日晷”文字，三秒后弹出日晷的说明框，此时会伴随语音对说明框中文字进行解说，用户可以单击说明框下的“继续了解”和“跳过解读”决定是否需要了解日晷说明，如图6所示。

当用户通过准心控制关闭说明框后，用户可以直接观察到日晷指针的阴影投射到“卯”字时，页面右上角会显示“卯时”，指针随日光投射的阴影是随着电脑系统的时间实时变化的，如图7所示。

用户还可以将准心移动到“查看日晷”按钮上，触发弹出当前时间日晷的投影镜像，方便用户在宫殿漫游时随时查看日晷当前的时辰信息，如图8所示。

当用户使用准心触发“时间×2”按钮时，日晷石盘上的指针投影会以2倍速度转动，再次触发“时间×2”按钮时，指针投影会再加速2倍转动，当用户体验过时间的飞速变化及其工作原理后，可以点击右边按钮栏的“正常时间”按钮，使得时间恢复正常运转，如图9所示。

当用户将准心对准“日晷发展历史”按钮后，会打开简牍提示框阅读日晷发展历史，如图10所示。

“日晷介绍”按钮的功能与注视“赤道日晷”底座的交互功能相同，弹出“日晷介绍”说明框。“设置”按钮主要是调节“背景音乐”大小及背景音乐开关，如图11所示。

6 小结

中国上下五千年的历史蕴含着无数与计量有关的文化，是古代劳动人民智慧的结晶，现代工业4.0及云物大智的飞速发展，人们看似不需要日晷这类的古代原始的计量工具，但将古代优秀传统文化以VR的方式展现在世人面前，对于弘扬中华传统文化具有较为深远的意义。