淺析AR技術(shù)在國內(nèi)氣象行業(yè)的應(yīng)用及前景分析,職稱論文

淺析AR技術(shù)在國內(nèi)氣象行業(yè)的應(yīng)用及前景分析,職稱論文內(nèi)容摘要：文章介紹了加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)的核心技術(shù),舉例闡述了AR技術(shù)在國內(nèi)外氣象領(lǐng)域中影響氣象信息、氣象服務(wù)、氣象科普的方式及應(yīng)用,最后分析了AR技術(shù)在氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用前景。本文關(guān)鍵詞語：AR技術(shù);氣象當(dāng)代化;可視化;ApplicationofaugmentedrealitytechnologyinmeteorologicalserviceCaiYingqiZhangZhijianHuPengGuangzhouEmergencyWarningInformationReleaseCenterGuangzhouLightningProtectionandDisasterReductionManagementOfficeAbstract：Thispaperintroducesthecoretechnologyofaugmentedreality(AR).TheexamplesaregiventoillustratethewaysandapplicationsofARtechnologyaffectingmeteorologicalinformation,meteorologicalserviceandmeteorologicalpopularizationinmeteorologicalfieldsathomeandabroad.Finally,theapplicationprospectofARtechnologyinmeteorologicalserviceisanalyzed0引言隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)〔VirtualReality，簡稱VR〕、加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)〔AugmentedReality，簡稱AR〕、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)〔MixedReality，簡稱MR〕在國內(nèi)外掀起了應(yīng)用熱潮[1]。從VR技術(shù)中發(fā)展起來的AR技術(shù)，旨在將真實(shí)世界和虛擬信息融合在一起，成為溝通人類個(gè)體與信息世界的重要橋梁。當(dāng)前，隨著科技的發(fā)展，AR技術(shù)已經(jīng)開場應(yīng)用到氣象領(lǐng)域。隨著AR技術(shù)的不斷發(fā)展，AR技術(shù)將被應(yīng)用到實(shí)際的氣象業(yè)務(wù)中，讓氣象當(dāng)代化更具可視化。1AR技術(shù)的整體概述1.1概念A(yù)R技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)實(shí)場景和虛擬場景拼接在一起，運(yùn)用了實(shí)時(shí)跟蹤注冊(cè)、顯示、智能交互和其他多種技術(shù)，將算法生成的文字、圖像等數(shù)字化信息，通過模擬仿真后疊加應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界中，兩種信息相互補(bǔ)充，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)實(shí)世界加強(qiáng)[2]。AR技術(shù)是一種利用攝像機(jī)、傳感器、實(shí)時(shí)計(jì)算和匹配技術(shù)的新型人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬信息在真實(shí)世界中融合。目的是讓用戶通過AR系統(tǒng)在客觀物理世界中體驗(yàn)沉浸的現(xiàn)實(shí)，突破時(shí)空等客觀限制，感受在現(xiàn)實(shí)世界中無法感受的體驗(yàn)[3]。1.2AR核心技術(shù)1.2.1注冊(cè)跟蹤技術(shù)注冊(cè)跟蹤技術(shù)是AR系統(tǒng)的核心技術(shù)，是影響AR系統(tǒng)功能性的關(guān)鍵技術(shù)，但該技術(shù)當(dāng)前尚不成熟，因而影響了AR技術(shù)的發(fā)展完善[4]。注冊(cè)跟蹤技術(shù)是一種能通過坐標(biāo)映射算法快速將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界準(zhǔn)確對(duì)齊的方式方法。將兩個(gè)不同世界中的坐標(biāo)系完美統(tǒng)一，找到兩個(gè)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的經(jīng)過稱作注冊(cè)。在當(dāng)下場景中獲取實(shí)時(shí)的真實(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀察者的位置、視野、角度、方向和運(yùn)動(dòng)重建坐標(biāo)系，將虛擬信息正確放置在現(xiàn)實(shí)世界中，這個(gè)經(jīng)過稱為跟蹤。注冊(cè)跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式方法主要有基于視覺處理、基于專門設(shè)備以及二者混合3類方式方法?；谝曈X處理的注冊(cè)跟蹤技術(shù)主要有兩種，一種是基于標(biāo)識(shí)物[5]；另一種是基于自然特征?；跇?biāo)識(shí)物是通過位于現(xiàn)實(shí)空間的標(biāo)志物、檢測實(shí)時(shí)圖像邊緣等，并基于標(biāo)識(shí)物的信息建立虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系來辨別標(biāo)識(shí)物?；谧匀惶卣鞯姆绞椒椒ㄖ饕ㄟ^對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行分析，提取其自然特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，并通過真實(shí)圖像計(jì)算虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。該技術(shù)計(jì)算精度高，無需專門的外部設(shè)備，具有多目的辨別跟蹤的能力，但也存在計(jì)算復(fù)雜，時(shí)效性差，容易遭到干擾等問題?；趯ｉT設(shè)備的注冊(cè)跟蹤技術(shù)通過各種傳感器、GPS設(shè)備、攝像機(jī)等專門的設(shè)備對(duì)觀察者的位置和視野進(jìn)行實(shí)時(shí)的獲取，并計(jì)算出虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界兩種不同坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系。該技術(shù)具有時(shí)效性好、運(yùn)算速度快、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要增加專門的硬件設(shè)備，而且設(shè)備對(duì)其精度有很大的影響?；谝曈X處理的注冊(cè)跟蹤技術(shù)和基于專門設(shè)備的注冊(cè)跟蹤技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。假如采用華而不實(shí)一種注冊(cè)跟蹤技術(shù)很難完全知足加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的所有注冊(cè)跟蹤需求。因而，假如條件允許，應(yīng)該同時(shí)融合兩種注冊(cè)跟蹤技術(shù)，互為補(bǔ)充來提高注冊(cè)跟蹤的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和AR系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、適應(yīng)性。1.2.2顯示技術(shù)顯示技術(shù)是AR系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。用戶沉浸于加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的效果取決于他們使用的顯示技術(shù)。AR系統(tǒng)中用來實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合顯示的主要設(shè)備一般有頭盔式顯示設(shè)備、手持顯示設(shè)備和投影顯示設(shè)備。頭盔式顯示設(shè)備在AR系統(tǒng)中應(yīng)用較廣，可有效提高用戶沉浸感。根據(jù)施行原理，頭盔顯示器可分為基于光學(xué)原理和基于攝像機(jī)原理兩類。光學(xué)角度頭盔主要是利用光學(xué)原理，為用戶安裝一個(gè)半透明的光學(xué)組合器，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界相融合，如谷歌眼鏡。視頻透視頭盔則是通過一定數(shù)量的攝像頭捕獲實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行處理，然后將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界融合在一起后進(jìn)行顯示，如微軟的HoloLens眼鏡。與視頻透視頭盔顯示器相比，光學(xué)透視頭盔顯示器在顯示加強(qiáng)圖像時(shí)不需要經(jīng)過圖像融合經(jīng)過，用戶看到的圖像是當(dāng)下現(xiàn)實(shí)世界的場景和虛擬信息的疊加。手持式顯示設(shè)備一般指手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，具有高便攜性。通常手持式顯示設(shè)備都具備觸摸操作功能，易于進(jìn)行多樣化的交互控制。投影式顯示設(shè)備是直接將生成的虛擬世界投影到真實(shí)世界的一種AR顯示設(shè)備。相對(duì)于在固定設(shè)備外表上顯示圖像的平面顯示設(shè)備，投影式顯示設(shè)備能夠應(yīng)用到各種比擬大的環(huán)境范圍中，但投影設(shè)備體積大、更容易受照明等環(huán)境因素的影響，因而更合適室內(nèi)場景。1.2.3人機(jī)交互技術(shù)隨著信息技術(shù)和智能設(shè)備的不斷發(fā)展，人機(jī)交互技術(shù)變得越來越重要，人機(jī)交互的質(zhì)量對(duì)用戶的體驗(yàn)影響越來越大。在AR系統(tǒng)中，怎樣進(jìn)行人機(jī)交互直接影響到用戶體驗(yàn)。人機(jī)交互技術(shù)由簡單的鼠標(biāo)鍵盤交互，發(fā)展到如今的語音、手勢交互等新型智能交互方式，可為AR系統(tǒng)帶來更廣闊的發(fā)展前景。鼠標(biāo)鍵盤和數(shù)據(jù)手套觸摸是加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的交互設(shè)備。這些傳統(tǒng)的輸入設(shè)備，固然成本低、交互準(zhǔn)確，但無法提供友好的交互體驗(yàn)，用戶的沉浸感也較差。隨著技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的人機(jī)交互方式。比方基于語音控制和基于手勢控制的新型交互方式，系統(tǒng)通過采集到的用戶的語音信號(hào)、手勢信號(hào)、動(dòng)作信號(hào)等作為輸入，同時(shí)支持傳統(tǒng)交互方式。新型交互方式愈加直觀和自然。用戶能夠以更準(zhǔn)確的方式在現(xiàn)實(shí)世界中使用它們與虛擬信息進(jìn)行交互。它是一種更人性化的交互方式，更適用于加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。2AR技術(shù)在國內(nèi)外氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用美國天氣頻道〔TheWeatherChannel〕通過AR技術(shù)和MR技術(shù)，在最新節(jié)目中創(chuàng)造出逼真的天氣場景，加上主持人精彩的講解評(píng)說，讓觀眾感覺自個(gè)處于惡劣的天氣。這種視聽效果與普通的天氣廣播完全不同。天氣廣播的一般形式主要依靠氣象數(shù)據(jù)和圖表顯示天氣狀況，觀眾無法發(fā)覺和警覺各種天氣條件造成的影響。TWC使用AR技術(shù)將惡劣天氣的影響帶給觀眾，讓觀眾身臨其境，真實(shí)體驗(yàn)正在發(fā)生的極端天氣，并根據(jù)天氣狀況為觀眾提供自我保衛(wèi)建議。國內(nèi)氣象綜合觀測業(yè)務(wù)展示平臺(tái)采用了AR加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶通過手持式顯示設(shè)備置身于臺(tái)風(fēng)眼中，環(huán)顧四周壯觀的臺(tái)風(fēng)情景，能夠看見及感受不同級(jí)別的臺(tái)風(fēng)對(duì)環(huán)境造成的影響與毀壞，可以進(jìn)行應(yīng)急避免的仿真操作。讓介入者對(duì)極端天氣現(xiàn)場有視覺、聽覺的多感官體驗(yàn)；通過氣象災(zāi)禍原理和防御知識(shí)的互動(dòng)，讓介入者對(duì)氣象災(zāi)禍產(chǎn)生愈加直觀地認(rèn)識(shí)。3淺析AR技術(shù)在國內(nèi)氣象行業(yè)的應(yīng)用前景1〕氣象科普方面利用AR技術(shù)開展氣象科學(xué)工作，能夠大大提高氣象科學(xué)知識(shí)的趣味性，生動(dòng)的場景能夠加深觀眾的記憶，激發(fā)公眾對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。在氣象科學(xué)展覽館，過去只是片面地將氣象科學(xué)知識(shí)傳播給參觀者，缺乏與觀眾的互動(dòng)；而如今，通過AR技術(shù)將氣象要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與相關(guān)的氣象實(shí)體相結(jié)合，人們能夠看到實(shí)物與虛擬氣象要素之間的聯(lián)絡(luò)，給觀者帶來較大的視覺沖擊感和較好的操作體驗(yàn)，真正體驗(yàn)身臨其境的感覺，到達(dá)更深層次的科學(xué)宣傳和良好的互動(dòng)。除此之外，AR技術(shù)還能夠用于模擬氣象災(zāi)禍場景，當(dāng)發(fā)生氣象災(zāi)禍時(shí)，通過加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯示設(shè)備，如頭盔和智能交互設(shè)備等，通過行為動(dòng)作的交互，能夠體驗(yàn)常見氣象災(zāi)禍發(fā)生時(shí)的毀壞力。模擬應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)禍的響應(yīng)，是利用AR技術(shù)在氣象科學(xué)中，為觀眾提供的一次現(xiàn)實(shí)的氣象應(yīng)急演練。這是普通氣象科學(xué)講解所不能實(shí)現(xiàn)的效果，也是氣象防災(zāi)減災(zāi)科普宣傳的一個(gè)有效方式。2〕氣象教學(xué)方面在氣象教學(xué)工作中，難免會(huì)出現(xiàn)一些專家難以用通俗語言表示出，觀眾難以理解的專業(yè)術(shù)語。在單調(diào)的語言環(huán)境中，觀眾難以吸收和消化枯燥的理論知識(shí)。除此之外一些專業(yè)氣象觀測設(shè)備〔多普勒雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等〕，向觀眾開放的時(shí)機(jī)較少；一些專業(yè)操作程序〔人工影響天氣操作等〕對(duì)公眾有一定的危險(xiǎn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，專業(yè)人員能夠利用AR技術(shù)為公眾提供觀察和實(shí)踐學(xué)習(xí)的時(shí)機(jī)，促進(jìn)公眾的知識(shí)構(gòu)建經(jīng)過，并有助于加深理解。將AR技術(shù)融入氣象教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的介入熱情，更好地理解知識(shí)，大大提高教學(xué)效率。3〕氣象影視方面當(dāng)前的天氣預(yù)報(bào)節(jié)目形式相對(duì)單一，單純的數(shù)據(jù)圖表、氣象詞匯導(dǎo)致預(yù)報(bào)效果一般。業(yè)務(wù)人員能夠使用AR技術(shù)，學(xué)習(xí)TWC將氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)的氣象場景，即氣象預(yù)報(bào)可視化，將難以理解的專業(yè)術(shù)語轉(zhuǎn)換為直觀的顯示[6]。通過觀看天氣預(yù)報(bào)，觀眾能夠更直觀地了解和感受將來的天氣。4〕氣象服務(wù)方面在氣象服務(wù)應(yīng)用中，加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可與氣象部門的實(shí)況數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供可視化圖像[7]。例如，出行時(shí)使用AR顯示設(shè)備，通過定向辨別功能，能夠隨時(shí)隨地顯示當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r、不同時(shí)間段以及將來幾天的天氣預(yù)報(bào)等，并及時(shí)將相應(yīng)的氣象服務(wù)信息推送給用戶。5〕氣象設(shè)備保障方面利用AR技術(shù)協(xié)助維修氣象設(shè)備故障，顯示氣象設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造、零件圖紙等，可使工程師盡快確定氣象設(shè)備故障位置，節(jié)省工作時(shí)間，降低維護(hù)成本，降低設(shè)備故障對(duì)業(yè)務(wù)水平的影響。偏僻地區(qū)的氣象設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能夠使用AR技術(shù)將故障設(shè)備傳送到專家面前進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)和維護(hù)。4結(jié)束語AR技術(shù)的不斷發(fā)展將對(duì)人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生宏大而深遠(yuǎn)的影響。隨著技術(shù)的成熟和實(shí)踐的增加，相信AR技術(shù)能夠使天氣愈加可視化。在這個(gè)經(jīng)過中，業(yè)務(wù)人員需要不斷創(chuàng)新、不懈探尋求索。期望AR技術(shù)能夠更廣泛地應(yīng)用于將來的氣象工作中，對(duì)于貫徹落實(shí)國家氣象局科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，有效推進(jìn)氣象當(dāng)代化具有重要意義。以下為參考文獻(xiàn)[1]田依潔,王晨.加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普工作中的應(yīng)用[J].科技傳播,2021,9(21):173-175.[2]胡天宇,張權(quán)福,沈永捷,等.加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2021,24(34):194-196.[3]李學(xué)行.虛擬自動(dòng)氣象站技術(shù)研究[J].氣象水文海洋儀器,2022,36(