情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

1B-22
2020/3/9

大規模オープンデータを使った遊動型天体シミュレーション
井上虎†1 巽竜雅†1 鈴木大暁†1 速水郁海†1長岡鼓太朗†1 吉澤智†1 川合康央†1
概要：天体を知るためには，星座早見盤やプラネタリウムなどが用いられるが，これらは地球から見た球面としての宇宙を表すものであり，天体間の相対的な距離感覚を立体的に理解することができない．そこで，3 次元空間に星を配置することによって，天体を立体的に捉えたいと考えた．本研究では，天体のオープンデータである Hipparcos 星表と，ゲームエンジン UnrealEngine4 を用い，大規模な宇宙空間内を自由に移動できるシステムを開発したものである．

1. はじめにステムを開発した．このシミュレーションでは，ユーザの頭部に装着したヘッドマウントディスプレイの動きに合わ

天体を可視化する際，星座早見盤やプラネタリウムなどせて視点が移動し，また視野内に表示される仮想の手は，の 2D 球面による表現は，地球から見た相対的な星の位置学習者の両手に持つハンドコントローラの動きに追従する．

を知る上では有効である．しかし，これらは星同士の相対また，惑星や小惑星には軌跡を追加し，どの天体がどのよ的な距離感覚や個々の大きさ，色，見た目などの宇宙の天うな軌道を描いているかをわかりやすく可視化している．

体に関する立体的な情報を理解することは難しい．現在，

これらは，3 次元でのシミュレーションとして，天体運動

主に使用される天体に関する資料は，星座早見盤やプラネに関して立体的に理解可能なものとして開発されている．

タリウムといった宇宙空間を平面として捉えた資料が多く本研究では，立体的な宇宙を，大規模なオープンデータを使用されているが，3D 空間に恒星や惑星，衛星を再現して用いて正確な位置に恒星を再現し，星座などを空間に配置

天体を表現しているものは，表現方法やコストなどの課題することで，立体の宇宙を可視化するものである．

からその事例は少ないものとなっている．そこで，本研究では，VR（Virtual Reality）を用いて宇宙を 3D 表示することによって，より立体的に宇宙を捉えたいと考え，3 次元空間を用いた遊動型天体シミュレーションを開発することとした．

2. システム開発
本研究では，恒星として光源オブジェクトを大規模に配置するため，ゲームエンジン Unreal Engine 4 を開発環境とこれまでにも，宇宙や星座などを分かりやすく理解するして採用した．ゲームエンジンを使用する優位性は，多くための研究や，教育現場における教材としての研究がなさの光源を取り扱う際の画像処理能力である．大量の光源をれてきた．文らの研究[1]では，投影するディスプレイを霧扱う場合，ゲームエンジンを使用することによって，距離にすることによって，霧膜内で映像が多重反射して疑似的に応じた光源処理の変更を行うことによって，処理速度のな立体を作り出し，宇宙空間を手のひらの上に持っている向上を図った．本システムでは，多くの光源オブジェクトような感覚が得られるものを開発した．この研究では，霧を表示することとなるため，視点からの距離による表示制状のディスプレイの他にも，加速度センサーを用いて映像限を設けると同時に，LOD（Level of Detail）処理と呼ばれを切り替えるようにして，宇宙を手元に持っているようなる距離によってモデルを簡略化することとした．表示制限没入感を生み出した．しかし，霧ディスプレイの形状上のの固定として現在では目で見える限界距離を表示制限とし問題により，映像が円柱形となるため違和感が残ることや，ている．表示制限の範囲更新は，視点場の移動をキーとし光軸の方向と視線を頭で遮らないようにしなければならなて行うこととし，視線移動終了時に一斉に更新されるもの

い，また，宇宙に関するシナリオを動画形式で霧ディスプとし，視点移動中の処理速度低下を回避した．出力としてレイに表示させているので，加速度センサーでユーザ別には，VR ヘッドマウントディスプレイを使用することによ

内容が変わってはいるが，基本的にシステム側が用意したって，再現された宇宙空間を外側から眺めるのではなく，ストーリーに限定されている，といった課題がある．また，宇宙の中に入り込み，その空間内で視点の移動や回転が可野田の研究[2]では，恒星を回る惑星系を再現し，そこにユ能な形で可視化した(図 1)．

ーザ操作できる小惑星を配置し，この小惑星をつかんで恒星系に投げ入れることによって，天体の運動を再現するシ†1 文教大学情報学部© 2020 Information Processing Society of Japan264

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図1

視点移動できる宇宙1B-22
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図3

表示されている恒星の名前

本システムでは，データベースに恒星の座標データ，温また，恒星とともに，星座についても立体的な表示を行

度，大きさ，スペクトル分類，星座線の情報を格納し，こうこととした．星座を表す恒星間を結ぶ星座線は，地球かれをゲームエンジンでリアルタイムに読み出し，恒星をオら相対的にみられる平面の星座と，実際の恒星と恒星の間ブジェクトとして 3 次元座標空間上に配置している(図 2)．

を線でつないだ星座線の 2 種類を用意した．これらは，すデータセットに，あらかじめ恒星の情報を入力しておく事べてを表示することも可能であるが，個別表示や非表示なによって，位置情報に応じて表示する恒星を決定している．

ど，再生環境に応じて星座線の表示モードを切り替えられ現在のシステムでは，データセットとして，ヨーロッパのるものとした(図 4，図 5)．

高精度位置天文衛星 Hipparcos が観測した恒星の位置を表すオープンデータを使用している[3]．Hipparcos は，欧州宇宙機関によって 1989 年に打ち上げられた世界で最初の高精度位置天文衛星であり，1993 年の運用終了までに 118,218個の全天恒星を観測した．この観測データを編集し，1997
年に発行されたものが，本システムで使用したデータセッ
トである Hipparcos 星表である．このデータセットでは，基本となる恒星の座標データは緯度経度のデータと年周視差として載っているため，この座標データから光年距離を基本に年周視差から距離を求め，2 点の極座標を直交座標へと変換することによって恒星を配置するとともに，主要図4

星座線の表示図5

画面遷移図

な恒星には星名を表示させることとした(図 3)．この恒星の名前を表示するとともに現在名前のついている恒星を一覧として表示しその場所の近くに直接移動することも可能とした．

本システムでは，データベースを CSV 形式に変換し，直接取り込むことによって，異なるデータを設定することが図2配置される恒星可能であり，各種データセットによる拡張性と汎用性を確保した(図 6，図 7)．

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また，Gaia 以外にも UCAC 星表と呼ばれるデータも存在している．こちらは，アメリカ海軍天文台が公開している星表であり，16 等級までの恒星が掲載された位置精度が特に優れた星表である．この星表も他の星表と同じく経度緯度によってデータが記述されていることは変わらないが，地上から観測されたものであり，位置天文観測用の宇宙望遠鏡からの測定ではないため，恒星の色や大きさという点での精度としては，Hipparcos 星表や Gaia 星表の方が優れていたため，今回開発システムでは，Hipparcos 星表を使用している．今回開発したシステムは，データセットの拡張が可能なものとして設計を行ったため，将来，ハードウェアの高速化によって，現在の Hipparcos 星表以外の星表と図6

開発フロー図組み合わせて使う事で，星表ごとの良さを組み合わせることが可能であると考えている．今後は，この恒星を表示するシステムに，惑星や衛星などを追加する拡張を行うことによって，より広大な宇宙空間を表現できるように改善を行っていく．

3. システム評価
本システムの評価として， 20 代の男子大学生 7 名に体験してもらい，体験後にアンケート評価を行った．項目として，宇宙の広大さを感じることができたか，操作しやすいか，見やすいか，教材として使えるかの 4 つの設問を用意し，それぞれ 5 段階で評価を行った(表 1)．まず，宇宙の広大さを感じることについては，1 番目のとても感じることができたが 57．1%，2 番目の感じることができたが 28．
6%と，全体的に高い結果となった．操作のしやすさについては，2 番目の操作しすいが 28．6%，3 番目のどちらともいえないが 71．4％と，今後の改善が必要である結果となった．また，見やすさについては，2 番目の見やすいが 57．
1%，3 番目のどちらともいえないが 14，3%，4 番目の見づらいが 28．6%という結果になった．自由記述では，恒星の図7

システム構成図

密度と星座線が明るく見づらいなどの意見があった．最後に，教材として使えるかは，2 番目の使えると思うが 85．

現在使用している Hipparcos 星表以外にも，非常に大容7%，どちらともいえないが 14．3%といった結果となった．

量になってしまうが，ヨーロッパ宇宙機関による Gaia と呼この結果から，現在のゲームパッドを使用して移動を行うばれる位置天文観測専用の宇宙望遠鏡によって作成されたインタフェースに対して，どちらとも言えないという結果データセットがある．これは，天の川銀河の星々の正確なが多いことから，他の操作方法の検討が必要であることが位置や距離を測定したガイアカタログ（GaiaDataRelease2）分かった．また，恒星自体が見づらいという結果について[4]と呼ばれるデータセットとして公開されている．このデは，実際にヘッドマウントディスプレイを使用して天体をータセットでは，約 17 憶個の恒星の明るさなどが表記さ見続ける現状の表示方法の中でも，明るすぎて見づらいとれており，また位置測定の精度が 20～40 マイクロ秒角という点や，恒星ごとに違いがついているのか分からないという極めて細かい値となっているため，正確な色や大きさいう点，上下左右の方向感覚が分からなくなり目標の星座など細かいデータを記述している恒星だけでも約 50 万個などを探しづらいという事であり，システムの改善を行っとなっている．しかし，前述した通り，かなり大きなデーていくこととした．

タベースとなっており，今回の開発では使用を断念している．

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表1

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評価アンケート結果
良い

1

悪い

2

宇宙の広大さを 感じ
57.10% 28.60%
られたか

3

4

50% 14.30%

0%

操作しやすいか0% 28.60% 71.40%

0%

0%

見やすいか

0% 57.10% 14.30% 28.60%

0%

教材として使えるか0% 85.70% 14.30%

0%0%

4. おわりに
本研究は，星座早見盤やプラネタリウムといった 2D の資料では，宇宙という空間情報を立体的に理解することが難しいという課題を解決するため，ヘッドマウントディスプレイを用いて仮想の宇宙空間に入りこみ，視点を自由に動かして目的の天体を探すといった，遊動型天体シミュレーションの開発を行ったものである．開発環境としてゲー
ムエンジンを使用し，多くの光源を取り扱う処理を行った．
また，大量の光源を扱う際，距離に応じた光源処理，モデルの処理の変更を行うこととした．本システムでは，データベースを CSV 形式に変換し，直接取り込むことによって，様々なデータセットを設定することが可能であり，システムの拡張性と汎用性を確保した．今後は，この恒星を表示するシステムに惑星や衛星を追加するなどの拡張を行うことによって，より広大な宇宙空間を表現するとともに，操作性や可視性についてインタフェースの改善を行うこととする．
謝辞

本研究は JSPS 科研費 JP19K12665 の助成を受けたものです．

参考文献
[1]
[2]
[3]

[4]
[5]

文奈美. Pocket Cosmos～手のひらに宇宙を～. 芸術科学会論
文誌, 2004, vol.3, no.4, pp.244-249.
野田常雄. 3 次元バーチャルリアリティ天文学教材の開発. 久
留米工業大学研究報告, 2019, no.41, pp.101-105.
“HEASARC Catalog Resources Index”.
https://heasarc.gsfc.nasa.gov/cgibin/W3Browse/w3catindex.pl#STAR%20CATALOGHarker , (参照 2019-12-19).
“Gaia Archive” .http://gea.esac.esa.int/archive/，(参照 2019-1219).
“VizieR”. http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-3?source=I/322A, (参照 2019-12-19)© 2020 Information Processing Society of Japan

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