آشنائی با آسمان نماها

در این مقاله با انواع آسمان نماها بویژه آسمان نماهای دیجیتال آشنا خواهید شد.

اگر شب هنگام زیر آسمان بروید و به آن نگاه کنید میتوان این چنین فرض کرد که ما در مرکز نیم کره ای تو خالی قرار گرفته ایم و در حال تماشای سطح داخلی این نیم کره فرضی هستیم و ستاره ها و دیگر اجرام آسمانی به مانند نقاطی نورانی به سطح داخلی این نیم کره متصل شده اند. ناگفته پیداست که در واقع این نیم کره فرضی است و در واقع آسمان این گونه نیست ولی می توان آسمان بالای سر را همانند کرهای تو خالی تصوور کرد. به این کره فرضی در نجوم کره آسمانی می گویند. هر اتفاقی که در آسمان روی می دهد همانند حرکت ماه و خورشید و ستارها می توان فرض کرد که روی این سطح خیالی اتفاق می افتد.

مفهوم کره آسمانی کمک زیادی به ما در آموزش و شبیه سازی آسمان می کند.  پس اگر قصد داشته باشیم ابزاری بسازیم که با آن بتوان آسمان را آموزش داد باید نیم کره ای تو خالی بسازیم که تصویر آسمان روی سطح داخلی آن قابل نمایش است. آسمان نما در واقع چنین ابزاری است. یعنی کره ای تو خالی با قطر زیاد است که افراد داخل آن قرار می گیرند و دستگاهی مخصوص به نام پروژکتور آسمان نما تصویر آسمان و اجرام آسمانی را به سطح داخلی این گنید می تاباند و در واقع آسمان را شبیه سازی می کند. 

آسمان نماها بهترین ابزار آموزش نجوم هستند. زیرا بوسیله آنها می توان تمام اتفاقات آسمانی را شبیه سازی کرد و تمام مفاهیم نجومی را آموزش داد.  

ابزاری که تصویر آسمان را تولید و به سطح گنید می تاباند پروژکتور آسمان نما یا همان دستگاه آسمان نما نامیده می شود.َ 

پروژکتورهای آسمان نما به 2 دسته کلی تقسیم می شوند:

1. اپتو مکانیکی

2. دیجیتالی

در سیستم های اپتومکانیکی که به لحاظ تاریخی سابقه بیشتری نیز دارد تصویر آسمان با ترکیبی از اسلاید و لنزهای اپتیکی تولید شده و نمایش داده می شود. در چنین سیستم هائی تمام آسمان یعنی 360 درجه آسمان تولید می شود. در نتیجه مجموعه ای از لنزها و اسلایدها مورد نیاز است.

تصویر فوق نمونه ای از آسمان نمای اپتو مکانیکی را نشان می دهد. این دستگاه ها توانائی تولید مطالب داینامیک را ندارند زیرا محدود به اسلایدهای ثابتی است که درون آنها تعبیه شده است. مثلا با این دستگاه ها نمی توان به هر بخشی از آسمان رفته و روی آن قسمت بزرگنمائی داشته باشیم. یا مثلا نمی توان مدارات سیارات را شبیه سازی کرد و خیلی مطالب دیگر. در واقع آسمان نماهای دیجیتال پاسخ این محدودیت ها هستند. 

اما آیا بواسطه این محدودیت ها این ابزار به کلی از رده خارج و قدیمی است؟

پاسخ منفی است. آسمان نماهای اپتو مکانیکی مخصوصا انواع پیشرفته آن همچنان در نمایش ستارگان بینظیر عمل می کنند.  کنتراست بسیار بالا و همچنین رزولوشن بسیار بالای انواع پیشرفته این نوع دستگاه ها این ابزار را همچنان پای ثابت آسمان نماهای پیشرفته امروزی قرار داده است. به عبارت دیگر امروزه در بسیاری از آسمان نماهای پیشرفته دنیا ترکیبی از یک سیستم دیجیتال و یک سیستم اپتومکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد. 

آسمان نماهای دیجیتال محصول عصر کامپیوتر و دیجیتال هستند. تصور کنید که تمام قابلیت های نرم افزارهای شبیه ساز آسمان مانند Stellarium  یا ُStarry Night  قابل نمایش و اجرا زیر گنبد آسمان نما باشد. می توانید چرخش ماه و سیارات و خورشید را شبیه سازی کرده و در منظومه شمسی سفر کنید و به کهکشان را شیری برسید و از آن نیز گذر کرده و خلاصه هر آنچه که در تصورتان می گنجد را نمایش دهید. بواسطه استفاده از ویدئو پروژکتورهای دیجیتال و تولید تصاویر توسط کامپیوتر هر نوع محتوی دیجیتالی را می توانید نمایش دهید.

از دیگر قابلیت های دستگاه های دیجیتال نمایش فیلم های مخصوص آسمان نما به نام Fulldome است. این فیلم ها میدان دید بیشتری نسبت به فیلم های رایج دارند و برای نمایش با میدان دید کروی یا 360X180 ساخته شده اند. از این رو آسمان نماهای دیجیتال نه فقط برای نمایش آسمان و نمایش علم نجوم بلکه جهت نمایش انواع فیلم های کروی نیز مناسب است و می توان مخاطبین بسیاری را جذب کرد. فیلم های بسیار متنوعی با موضوعاتی از قبیل بدن انسان، علوم مختلف و ... در بازار جهانی موجود است. همچنین به تازگی بازی های کروی نیز در حال ورود به دنیای آسمان نماهای دیجیتالی است. افراد می توانند بازی های کامپیوتری را در فضایی کروی تجربه کنند. 

نمایش فیلم های کروی یا Fulldome هیجان بسیار بالائی دارد زیرا تصویر به جای تشکیل روی سطحی تخت روی یک نیم کره و دور تادور بیننده تشکیل می شود و در واقع حسی 3 بعدی را ایجاد می کند که بسیار تجربه لذت بخشی است.  

  شکل فوق نمائی از یا سینمای کروی یا آسمان نمای دیجیتال را نمایش می دهد.

امروزه سینماهای کروی نیز از جمله تکنو لوژی های بسیار جذاب در نمایش به شمار می آیند. از جمله این نوع سینماها می توان به سینماهای کروی    IMAX DOME اشاره کرد. 

حال قصد داریم نگاهی دقیق تر به دستگاه آسمان نماهای دیجیتال داشته باشیم.

آسمان نماهای دیجیتال از 3 بخش اصلی تشکیل شده اند.

1. ویدئو پروژکتور دیجیتال

2. سیستم اپتیکی مناسب ویدئو پروژکتور با میدان دید 360 در 180 درجه

3. کامپیوتر جهت تولید محتوای دیجیتال و یا نمایش فیلم های Fulldome  

ویدئو پروژکتورها انواع و اقسام مختلفی دارند. اما مهمترین مشخصه هائی که در آسمان نماها تعیین کننده است یکی میزان حداکثر شدت روشنائی دیگری رزولوشن یا تعداد سلول های تصویر ساز و در نهایت کنتراست یا نسبت حداکثر شدت تصویر به حداقل شدت تصویر است.  

حال این 3 پارامتر را با دقت بیشتری بررسی می کنیم. حداکثر روشنائی تصویر در یک پروژکتور در واقع قدرت یا توان تولید نور لامپ پروژکتور را مشخص می کند. هر چه این پارامتر بزرگتر باشد تصویر پروژکتور روی صفحه نمایش یا گنبد آسمان نما درخشان تر خواهد بود. واحد شدت تصویر یک پروژکتور Lumen  است. همانطور که اشاره شد هرچه این عدد بزرگتر باشد پروژکتور توانائی تولید تصویر درخشان تری را دارد. برای اینکه با این کمیت بیشتر آشنا شویم چند مثال خواهیم آورد. پروژکتورهای کوچک که برای استفاده در یک اتاق کوچک طراحی شده اند شدتی درحدود 2000 Lumens دارند. پروژکتوری با شدت تصویر 4000 Lumens پروژکتوری نسبتا قدرتمند است که می توان آنرا در سالنهای کوچک استفاده کرد. پروژکتورهائی قویتر مناسب سالن های بزرگ و سینمائی هستد.  

شدت تصویر ویدئو پروژکتور استفاده شده در دستگاه آسمان نما رابطه مستقیمی با حداکثر قطر گنبد آسمان نما دارد. البته ضریب بازتاب گنبد نیز در این موضوع بسیار تعیین کننده است.  

پارامتر دوم که رزولوشن تصویر است نیز بسیار تعیین کننده است. رزولوشن تصویر تعیین کننده کیفیت تصویر است. هرچه رزولوشن تصویر بیشتر باشد تصویر با کیفیت بیشتری به نمایش درمی آید. نکته بسیار مهمی در مورد آسمان نماها وجود دارد. در آسمان نماهای تک پروژکتوری تمام پیکسل های پروژکتور مورد استفاده قرار نمی گیرند. از آنجائی که گنبد آسمان نماها کروی شکل اند تصویر تولید شده توسط کامپیوتر باید دایره ای شکل باشد تا وقتی توسط پروژکتور تشکیل شد بتواند تمام سطح را بپوشاند. ار آنجائی که تصویر پروژکتورها به شکل مستطیل است باید تصویر به صورت دایره ای در مرکز این مستطیل تشکیل شود. پس رزولوشن این دایره که همان قطر دایره می شود برابر با رزولوشن عرض مستطیل است. مثلا اگر پروژکتور ما دارای رزولوشن 1024X768 پیکسل باشد قطر دایره 768 پیکسل خواهد داشت. پس رزولوشن تصویر در آسمان نماهای تک پروژکتوری برابر با رزولوشن عرضی پروژکتور. تصویر زیر این مطلب را بهتر نشان می دهد. 

تصویر فوق نمونه ای از تصویر تولید شده برای پروژکتور است.

لازم به ذکر است که تصویر دایره ای شکل تولید شده باید فرمت Fisheye داشته باشد. یعنی باید میدان دیدی برابر با 360 در 180 درجه را شامل شود. از آنجائیکه آسمان نماها میدان دیدی برابر 360 در 180 درجه تولید می کنند تصاویری ارسالی به آنها نیز باید با این میدان دید تولید شوند. به این زاویه دید Fisheye گفته می شود.  

زولوشن های رایج ویدئو پروژکتورها به قرار زیر است:

1. 1024X768 XGA

2. 1280X720 HD

3. 1280X800 WXGA

4. 1920X1080 FHD

5. 1920X1200 WUXGA

6. 2560X1600 WQXGA 

نکته ای در مورد رزولوشن آسمان نماهای دیجیتال وجود دارد و آن این است که معمولا پیکسل های تصویر تا حدودی قابل روئت است. به جز آسمان نماهای بسیار با کیفیت و البته بسیار گران این موضوع در واقع جزئی از ماهیت آسمان نماهای دیجیتال تک پروژکتور است.  

سومین پارامتر مهم در ویدئو پروژکتورهای دیجیتال کنتراست تصویر یا همانطور که اشاره شد نسبت حداکثر روشنائی به حداقل روشنائی است. اصولا ویدئو پروژکتورها کنتراست پائین تری نسبت به تلویزیون ها دارند. هرچه کنتراست تصویر بیشتر باشد تصاویر زیباتر به نظر می آیند.  همچنین کنتراست بالا باعث می شود زمینه آسمان تاریک تر دیده شود و شکل واقعی تری را نمایش دهد. کنتراست پروژکتورهای معمولی عددی بین 2000:1 تا 10000:1 است. و پروژکتورهای حرفه ای تر حتی کنتراست هائی تا 2.5 میلیون به 1 را می توانند ارائه نمایند. البته پارامترهای دیگری همچون اشباع رنگ یا Color Saturation  نیز در کیفیت تصویر یک پروژکتور بسیار تعیین کننده اند. 

سیستم اپتیکی آسمان نمای دیجیتال

همانطور که اشاره شد آسمان نماهای دیجیتال باید میدان دید 180 در 360 درجه ای را نمایش بدهند. برای این منظور از لنرهای ویژه ای با چنین میدان دیدی استفاده می شود. اگر میدان دید لنز دستگاه آسمان نما دقیقا 180 درجه باشد لنز برای اینکه بتواند تمام سطح داخلی گنبد را بپوشاند باید در مرکز نیم کره گنبد آسمان نما قرار داده شود. ولی در عمل در بسیاری از موارد میدان دید لنز آسمان نما کمی از 180 درجه کمتر است. برای جبران این موضوع کافیست لنز آسمان نما را کمی از مرکز گنبد پائین تر قرار دهیم. 

تصویر فوق نمائی از لنزهای با میدان دید 180 و 160 درجه را نشان می دهد.

میدان دید کمتر از 160 درجه نیز مناسب نیست زیرا هم مشکل اعوجاج تصویر ایجاد می شود و هم لبه گنبد آسمان نما باید بالاتر از سطح لنز قرار گیرد. که این موضوع مخصوصا هنگامی که قطر گنبد بزرگ باشد مشکلات طراحی اساسی ایجاد می کند.  

کیفیت اپتیکی سیستم اپتیکی نیز از نکات بسیار مهم در یک سیستم آسمان نمای دیجیتال است. چالش کیفیت تصویر به شکل خاص در گوشه های گنید خود را نشان می دهد. 

سومین بخش یک دستگاه آسمان نما سیستم کامپیوتری آن می باشد.  جهت تولید محتوی و نمایش فیلم های آسمان نما احتیاج به سیستم کامپیوتری قدرتمندی است که بتواند تصاویر مورد نظر را تولید کند. استفاده از کارت های گرافیکی قدرتمند و پردازنده های پیشرفته از ویژگی های چنین سیستم هائی است. سیستم کامپوتری باید چنان قدرتمند باشد تا بتواند در هر ثانیه تعداد کافی فریم تولید کند تا تصاویر یکنواخت و پیوسته به نظر آیند. نرخ تولید تصویر حداقل 24 فریم در ثانیه می تواند استاندارد خوبی برای سیستم کامپیوتری مورد نظر باشد.  

تا اینجا با آسمان نماهای تک پروژکتور آشنا شدید حال با آسمان نماهای چند پروژکتوری (Multi projector) آشنا می شوید.  

استفاده از یک پروژکتور رزولوشن و شدت تصویر را محدود می کند. البته پروژکتورهای بسیار با کیفیت و بسیار پرنور در بازار موجود اند ولی همچنان محدودیت هائی در این زمینه وجود دارد.  در حال حاضر بیشترین کیفین تصویر پروژکتورها در حدود 4000 در 2000 پیکسل است. بناراین حداکثر رزولوشنی را که می توان در آسمان نما در اختیار داشت 2000 پیکسل خواهد بود. برای رسیدن به کیفیتی بیشتر از این باید از چند پروژکتور استفاده کرد. شدت تصویر پروژکتورها نیز مجدود است به جز موارد خاص شدت تصویر پروژکتورها به سختی از 10000 Lumens بیشتر می شود. 

استفاده از چند پروژکتور به جای یک پروژکتور پاسخی به این نیاز است. به چنین سیستم هائی Multi Projector می گویند.  هرچه تعداد پروژکتورها بیشتر شود رزولوشن و شدت تصویر هم بیشتر می شود. در سیستم های چند پروژکتوری چالش های سخت افزاری و نرم افزاری زیادی وجود دارد. هر پروژکتور بخشی از گنبد را می پوشاند که این باعث می شود لبه های تصویر هر پروژکتور با پروژکتور دیگر همپوشانی داشته باشد.  

تصویر فوق نمائی از تصویر چندین پروژکتور که به سطح گنبد تابیده شده است را نمایش می دهد.  

برای اینکه تصاویر چندین پروژکتور روی سطح گنبد به صورت یک تصویر واحد و یکپارچه دیده شوند لازم است 2 کار به درستی انجام شود.

1. تصحیح هندسی تصویر (Warping) 

2. تصحیح شدت لبه ها (Edge Blending) 

در بخش تصحیح هندسی تصویر هندسه یا شکل تصویر مورد کار قرار می گیرد. پروژکتور تصویرش روی سطح خمیده گنبد تشکیل شده در نتیجه متناسب با انحنای پرده نمایش تصویر باید دچار تصحیحاتی شود تا درست به نظر آید.  به این مرحله تصحیح هندسی یا Warping گفته می شود که برای هر پروژکتور به شکل اختصاصی متناسب با انحنای گنبد یا هر شکل دیگری از پرده به شکل نرم افزاری انجام می شود. 

بهد از تصیحی هندسی کاری که باید انجام شود کاهش شدت تصویر نواحی روی هم افتاده است. در تصویر بالا نواحی ای که روی هم افتاده اند پر نور تر دیده می شوند و در نتیجه باید شدت تصویر در این نواحی کمتر شود تا تصوری واحد به دست آید. به این مرحله که معمولا به شکل نرم افزاری انجام می شود تصحیح شدت لبه ها یا Edge Blending می گویند.  

در تصویر فوق تصحیح شدت لبه های تصویر نمایش داده شده است. 

در سیستم های پیشرفته مراحل Warping  و Edge Blending بصورت اتوماتیک و توسط یک یا چند دوربین انجام می شود. بدین صورت که یک یا چند دوربین به سطح داخلی گنبد قرار می گیرد و با پردازش تصاویر تولید شده توسط پروژکتورها این دو مرحله بصورت خودکار انجام می شود.  

یکی دیگر از موارد بسیار مهم در مورد آسمان نماهای دیجیتال نرم افزار نجومی نمایش آسمان است. اینکه چه نرم افزاری با چه امکاناتی تصویر آسمان را تولید کرده و نماش می دهد. همانطور که پیشتر اشاره شد از هر نرم افزار نجومی نمی توان در آسمان نما استفاده کرد. در واقع نرم افزار باید قابلیت تولید تصویر آسمان در حالت Fisheye یا به عبارت دیگر میدان دید 360X180 درجه ای را داشته باشد.  نرم افزارهای مخصوص آسمان نما وقتیکه در مانیتور کامپیوتر اجرا شوند بصورت دایره ای در مرکز مانیتور دیده می شوند که اطراف آن سیاه است و تصویر آسمان بصورت Fisheye درون دایره دیده می شود. 

در آسمان نماهای Sarsoo از نرم افزار بسیار کاربردی و آموزشی  Stellarium  استفاده می شود. در این نرم افزار به خوبی می توان انواع مفاهیم نجومی را آموزش داد. از جمله قابلیت های این نرم افزار عبارت است از :

1. نمایش تمامی صورت های فلکی نیم کره شمالی و جنوبی

2. نمایش آسمان برای هر تاریخی و هر مکانی از روی کره زمین و حتی سیارات منظومه شمسی از چند هزار سال قبل تا چند هزار سال آینده 

3. نمایش شکل صور فلکی، خطوط صور فلکی ، اسامی و بسیاری پارامترهای دیگر

4. قابلیت کند و تند کردن زمان برای نمایش بهتر پدیده های آسمانی

5. نمایش تمامی خطوط استوای سماوی ، دایره البروج ، نصف النهار مدار سیارات ماه و ....

6. نمایش و شبیه سازی گرفتها ، بارش های شهابی و ....

7. قابلیت نمایش سیارات با اندازه های مختلف و اقمار و مشخصات آنها

8. نمایش صدها جرم غیر ستاره ای مانند سحابی ها وکهکشانها در آسمان و دیده مشخصات و تصویر آنها

......

تصاویر فوق نمونه ای از تصاویر تولید شده توسط دستگاه مدل NP768 است.