全息投影、AR技术在气象业务中的应用

陈德康

(广东省气象科技培训中心,广东广州 510080)

近几年,科技进步日新月异,人们对视觉的追求已不满足于屏幕上的2D、3D效果,开始追求一种“无中生有”的视觉体验。全息投影技术、增强现实AR技术在这几年慢慢进入人们的视野并普及推广,其中,2016年杭州G20峰会开幕式和2016年里约奥运会闭幕式应用该两项技术,获得了震撼的视觉效果。随着技术的成熟,应考虑将全息投影、AR技术应用到未来气象业务中,让气象现代化迈向“实感气象”时代。

1 全息投影、AR技术的整体概述

1.1 全息投影技术

全息投影技术也称虚拟成像技术,它利用干涉和衍射原理,记录物体光波信息,再现物体真实的三维图像技术。它既产生立体空中幻像,用户还可在虚拟环境中与幻像进行交互,产生令人震撼的视觉效果[1]。全息投影技术分为以下三类:

(1)空气投影和交互技术,用镭射光借助空气中的微粒成像,通过人工喷雾制作水雾墙替代传统投影屏。(2)激光束投影技术,通过不断在空气中进行小型爆破,让氧气、氮气混合气体变成灼热的浆状物质,在空气中形成立体图像。(3)360度全息显示屏,这是将图像投影在高速旋转的镜子上形成三维图像。

1.2 增强现实Augmented Reality(简称AR)技术

AR是全新的人机交互技术,把计算机产生的虚拟信息和场景叠加到摄像头实时摄取的现实场景中,虚拟与真实两种信息相互叠加、补充,以最直观自然的方式实现用户和环境的交互,提升用户对虚拟模型的感知能力[2]。实现AR技术的原理主要有三个方面:

(1)显示技术:AR的显示设备是用于显示虚拟图像和真实环境相叠加产生的影像;(2)跟踪和定位技术:AR需要进行定位,跟踪用户位置、视域方向,确定虚拟物体在三维场景中的位置,从而实现交互;(3)界面可视化和标定技术:让用户更好与虚拟信息进行实时交互,需实现有效可视化并进行大量标定来生成准确定位[3]。具体效果如图1所示,用户拍摄手臂上的小方块,通过AR技术在屏幕上呈现出手表图像。AR技术让用户得到“身临其境”的感受,还能突破空间、时间限制,让人感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。

图1 AR技术效果展示

图2 杭州G20峰会表演的水上《天鹅湖》

2 两档优秀的开闭幕式应用全息投影、AR技术的介绍

2.1 全息投影技术在2016年杭州G20峰会开幕式上的应用

2016年杭州G20峰会在西湖水上表演《天鹅湖》(如图2所示)。它是用佩珀尔幻象全息投影技术实现的。虽然该技术在室内表演中经常出现,但在室外使用却非常少,还未在水上使用过。制作团队在场地上应用了全息投影技术,把全息投影的影像完全融入到自然环境中,影像和演员形成互动,让人们看到西湖上的天鹅起舞,让演员像真正的天鹅一样在湖面上起舞,只要观众看到影像,就能视其如同真实。

2.2 AR技术在2016里约奥运会闭幕式上的应用

2016年里约奥运会闭幕式临近尾声时,下一届奥运会主办方日本东京向世界展现了一场惊艳的“东京八分钟”:以动漫形象引路,日本首相化身超级马里奥出场,紧接着增强现实AR技术炫目登场(如图3所示)。观众通过电视机或现场屏幕看到的是在现场实景下,从天空而降的奥运项目造型,效果炫丽逼真。把虚拟信息应用到真实世界、达到超越现实的感官体验的AR技术在很多领域上已有出现。如风靡全球的手机应用Pokemon GO;TI6国际邀请赛作为首个使用AR投影技术的体育项目,还夺得了有 “互联网奥斯卡”美称的威比奖。

图3 东京八分钟画面

3 全息投影、AR技术在气象工作中的应用

3.1 气象科普方面

(1)在气象科普展厅里,利用全息投影技术把气象要素与相关气象实体仪器相结合,市民可进行实物和虚拟天气要素之间的互动,给市民带来真实的视觉冲击和操作体验,从而达到科普宣传的目标。(2)在气象防灾宣传方面,利用AR技术设计防灾小游戏,市民利用游戏体验在遭遇气象灾害时的防灾自救方法。这种“切身感受”的科普效果是传统视频科教无可比拟的。利用全息投影、AR技术的气象科普宣传,更好地宣传气象知识,而真实的体验感受会在大众心中扎根,并感受到气象与生活息息相关。

3.2 气象服务方面

在未来气象服务手机App软件中,运用AR技术以及大数据信息,用户只要打开软件,就像有一位气象专家在身旁,根据摄像头实时拍摄的画面,向用户推送不同的气象信息。如:当拍摄到晴天环境,可推送当天的温度、紫外线、能见度信息,提醒用户注意防暑防晒;当拍摄到阴天或降水时,可推送未来数小时内会否下雨,降水的强度和变化趋势以及周边避雨避雷场所等。利用AR技术的气象服务,用户无论在哪,只要打开手机就能根据实际景物获取到不同的气象相关大数据应用信息。

3.3 气象影视方面

(1)在天气预报直播时运用AR技术,添加虚拟天气要素来展示特殊天气过程的情景,增强观众的视觉效果。(2)在台风登陆点现场跟踪拍摄时,利用AR技术虚拟“追风小助手”,在主持人因危险程度较高而无法亲自报道时,由虚拟主持人主持;在危险可控范围内,给“追风小助手”设计动画动作与主持人互动等。利用AR技术的气象影视制作,为观众带来新颖的节目风格,生动活泼又不失专业性的节目效果。

3.4 气象培训方面

(1)在面授培训中,老师用全息投影技术把一些无法搬到课堂演示而只能在电脑上展示的教学仪器在课室里全息投影出来,学员可仔细观察仪器,也方便老师进行操作解析,让仪器“真实”出现在学员面前,这种真实感是传统视频、图片无法比拟的。(2)在仪器操作指南方面,使用AR技术,设计关于仪器操作介绍APP软件。当学员打开软件,摄像头摄取真实环境的仪器时,推送该气象仪器的基本信息、操作规范、维修指南,方便学员在实操时查资料,并能进行模拟操作。利用全息投影、AR技术的气象培训,学员对讲解内容记忆更深刻,更能理解难点内容“,亲身模拟”带来的感官效果让学员有身临其境的感受。

3.5 气象后勤业务方面

(1)在大型技术会议上,运用全息投影技术让技术方案立体投影到会场,给参会人员带来最直观的视觉效果,这动态视觉效果是传统PPT展示无法比拟的。(2)在举办大型会议之前,场地布置需要大量的人力。运用AR技术,后勤人员只需拍摄真实会场场景,用虚拟桌椅进行模拟摆放,确定虚拟最佳方案后再进行真实摆放,不仅节约了时间、体力,还能科学找到最优方案。

4 结语

全息投影、AR技术前景发展空间非常大,未来在各行业的发展领域极其广泛,为推进气象现代化迈进一个新的“实感气象”时代,让这两项技术尽早融入气象事业当中,为气象事业发展作贡献,这是未来的努力方向。

[1]张晶,魏爽.虚拟现实技术和全息投影技术在虚拟校园中的应用[J].电子测试,2016,(9):83-84.

[2]秦松华,刘强.基于BIM和AR技术的石化项目全生命周期风险管理[J].项目管理技术,2015,(9):106-111.

[3]邱伟波,叶周岳,张彩彩,杨兰玉,基于AR技术在多粒度超细木粉机的应用研究[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2012,(3):206-207.