摘要：文章介绍了增强现实技术(AR)的核心技术,举例阐述了AR技术在国内外气象领域中影响气象信息、气象服务、气象科普的方式及应用,最后分析了AR技术在气象业务中的应用前景。
关键词：AR技术; 气象现代化; 可视化;
Application of augmented reality technology in meteorological service
Cai Yingqi Zhang Zhijian Hu Peng
Guangzhou Emergency Warning Information Release Center Guangzhou Lightning Protection and Disaster Reduction Management Office
Abstract：This paper introduces the core technology of augmented reality(AR).The examples are given to illustrate the ways and applications of AR technology affecting meteorological information,meteorological service and meteorological popularization in meteorological fields at home and abroad.Finally,the application prospect of AR technology in meteorological service is analyzed
0 引言
随着信息技术的飞速发展，虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）、增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）、混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）在国内外掀起了应用热潮[1]。从VR技术中发展起来的AR技术，旨在将真实世界和虚拟信息融合在一起，成为沟通人类个体与信息世界的重要桥梁。目前，随着科技的发展，AR技术已经开始应用到气象领域。随着AR技术的不断发展，AR技术将被应用到实际的气象业务中，让气象现代化更具可视化。
1 AR技术的整体概述
1.1 概念
AR技术可以将现实场景和虚拟场景拼接在一起，运用了实时跟踪注册、显示、智能交互和其他多种技术，将算法生成的文字、图像等数字化信息，通过模拟仿真后叠加应用到现实世界中，两种信息互相补充，从而对现实世界增强[2]。AR技术是一种利用摄像机、传感器、实时计算和匹配技术的新型人机交互技术，实现虚拟信息在真实世界中融合。目的是让用户通过AR系统在客观物理世界中体验“沉浸”的现实，突破时空等客观限制，感受在现实世界中无法感受的体验[3]。
1.2 AR核心技术
1.2.1 注册跟踪技术
注册跟踪技术是AR系统的核心技术，是影响AR系统功能性的关键技术，但该技术目前尚不成熟，因此影响了AR技术的发展完善[4]。注册跟踪技术是一种能通过坐标映射算法快速将现实世界和虚拟世界准确对齐的方法。将两个不同世界中的坐标系完美统一，找到两个坐标系之间转换关系的过程称作注册。在当前场景中获取实时的真实数据，根据观察者的位置、视野、角度、方向和运动重建坐标系，将虚拟信息正确放置在现实世界中，这个过程称为跟踪。注册跟踪技术的实现方法主要有基于视觉处理、基于专门设备以及二者混合3类方法。
基于视觉处理的注册跟踪技术主要有两种，一种是基于标识物[5]；另一种是基于自然特征。基于标识物是通过位于现实空间的标志物、检测实时图像边缘等，并基于标识物的信息建立虚拟世界与现实世界之间的坐标转换关系来识别标识物。基于自然特征的方法主要通过对实时图像进行分析，提取其自然特征点进行匹配，并通过真实图像计算虚拟世界与现实世界之间的坐标转换关系。该技术计算精度高，无需专门的外部设备，具有多目标识别跟踪的能力，但也存在计算复杂，时效性差，容易受到干扰等问题。
基于专门设备的注册跟踪技术通过各种传感器、GPS设备、摄像机等专门的设备对观察者的位置和视野进行实时的获取，并计算出虚拟世界与现实世界两种不同坐标系之间的映射关系。该技术具有时效性好、运算速度快、应用范围广等优点。缺点是需要增加专门的硬件设备，而且设备对其精度有很大的影响。
基于视觉处理的注册跟踪技术和基于专门设备的注册跟踪技术都有各自的优缺点。如果采用其中一种注册跟踪技术很难完全满足增强现实应用系统的所有注册跟踪需求。因此，如果条件允许，应该同时融合两种注册跟踪技术，互为补充来提高注册跟踪的时效性、准确性和AR系统的整体稳定性、适应性。
1.2.2 显示技术
显示技术是AR系统的另一个关键技术。用户沉浸于增强现实应用中的效果取决于他们使用的显示技术。AR系统中用来实现虚实结合显示的主要设备一般有头盔式显示设备、手持显示设备和投影显示设备。头盔式显示设备在AR系统中应用较广，可有效提高用户沉浸感。根据实施原理，头盔显示器可分为基于光学原理和基于摄像机原理两类。光学角度头盔主要是利用光学原理，为用户安装一个半透明的光学组合器，将计算机生成的虚拟信息与现实世界相融合，如谷歌眼镜。视频透视头盔则是通过一定数量的摄像头捕获实时图像进行处理，然后将现实世界和虚拟世界融合在一起后进行显示，如微软的HoloLens眼镜。与视频透视头盔显示器相比，光学透视头盔显示器在显示增强图像时不需要经过图像融合过程，用户看到的图像是当前现实世界的场景和虚拟信息的叠加。
手持式显示设备一般指手机、平板电脑等移动设备，具有高便携性。通常手持式显示设备都具备触摸操作功能，易于进行多样化的交互控制。
投影式显示设备是直接将生成的虚拟世界投影到真实世界的一种AR显示设备。相对于在固定设备表面上显示图像的平面显示设备，投影式显示设备可以应用到各种比较大的环境范围中，但投影设备体积大、更容易受照明等环境因素的影响，因此更适合室内场景。
1.2.3 人机交互技术
随着信息技术和智能设备的不断发展，人机交互技术变得越来越重要，人机交互的质量对用户的体验影响越来越大。在AR系统中，如何进行人机交互直接影响到用户体验。人机交互技术由简单的鼠标键盘交互，发展到现在的语音、手势交互等新型智能交互方式，可为AR系统带来更广阔的发展前景。鼠标键盘和数据手套触摸是增强现实系统中传统的交互设备。这些传统的输入设备，虽然成本低、交互准确，但无法提供友好的交互体验，用户的沉浸感也较差。
随着技术发展，出现了许多新的人机交互方式。比如基于语音控制和基于手势控制的新型交互方式，系统通过采集到的用户的语音信号、手势信号、动作信号等作为输入，同时支持传统交互方式。新型交互方式更加直观和自然。用户可以以更准确的方式在现实世界中使用它们与虚拟信息进行交互。它是一种更人性化的交互方式，更适用于增强现实系统。
2 AR技术在国内外气象领域中的应用
美国天气频道（The Weather Channel）通过AR技术和MR技术，在最新节目中创造出逼真的天气场景，加上主持人精彩的解说，让观众感觉自己处于恶劣的天气。这种视听效果与普通的天气广播完全不同。天气广播的一般形式主要依靠气象数据和图表显示天气状况，观众无法察觉和警惕各种天气条件造成的影响。TWC使用AR技术将恶劣天气的影响带给观众，让观众身临其境，真实体验正在发生的极端天气，并根据天气状况为观众提供自我保护建议。
国内气象综合观测业务展示平台采用了AR增强现实技术，用户通过手持式显示设备置身于台风眼中，环顾四周壮观的台风情景，可以看见及感受不同级别的台风对环境造成的影响与破坏，也可进行应急避免的仿真操作。让参与者对极端天气现场有视觉、听觉的多感官体验；通过气象灾害原理和防御知识的互动，让参与者对气象灾害产生更加直观地认识。
3 浅析AR技术在国内气象行业的应用前景
1）气象科普方面
利用AR技术开展气象科学工作，可以大大提高气象科学知识的趣味性，生动的场景能够加深观众的记忆，激发公众对学习的兴趣。在气象科学展览馆，过去只是片面地将气象科学知识传播给参观者，缺乏与观众的互动；而现在，通过AR技术将气象要素实时数据与相关的气象实体相结合，人们可以看到实物与虚拟气象要素之间的联系，给观者带来较大的视觉冲击感和较好的操作体验，真正体验身临其境的感觉，达到更深层次的科学宣传和良好的互动。此外，AR技术还可以用于模拟气象灾害场景，当发生气象灾害时，通过增强现实技术显示设备，如头盔和智能交互设备等，通过行为动作的交互，可以体验常见气象灾害发生时的破坏力。模拟应对气象灾害的响应，是利用AR技术在气象科学中，为观众提供的一次现实的气象应急演练。这是普通气象科学讲解所不能实现的效果，也是气象防灾减灾科普宣传的一个有效方式。
2）气象教学方面
在气象教学工作中，难免会出现一些专家难以用通俗语言表达，观众难以理解的专业术语。在单调的语言环境中，观众难以吸收和消化枯燥的理论知识。此外一些专业气象观测设备（多普勒雷达、气象卫星等），向观众开放的机会较少；一些专业操作程序（人工影响天气操作等）对公众有一定的危险。在现实生活中，专业人员可以利用AR技术为公众提供观察和实践学习的机会，促进公众的知识构建过程，并有助于加深理解。将AR技术融入气象教学，可以激发学习者的参与热情，更好地理解知识，大大提高教学效率。
3）气象影视方面
目前的天气预报节目形式相对单一，单纯的数据图表、气象词汇导致预报效果一般。业务人员可以使用AR技术，学习TWC将气象数据转化成现实的气象场景，即气象预报“可视化”，将难以理解的专业术语转换为直观的显示[6]。通过观看天气预报，观众可以更直观地了解和感受未来的天气。
4）气象服务方面
在气象服务应用中，增强现实技术可与气象部门的实况数据相结合，提供“可视化”图像[7]。例如，出行时使用AR显示设备，通过定向识别功能，可以随时随地显示当地天气情况、不同时间段以及未来几天的天气预报等，并及时将相应的气象服务信息推送给用户。
5）气象设备保障方面
利用AR技术协助维修气象设备故障，显示气象设备内部结构、零件图纸等，可使工程师尽快确定气象设备故障位置，节省工作时间，降低维护成本，降低设备故障对业务水平的影响。偏远地区的气象设备发生故障时，可以使用AR技术将故障设备传送到专家面前进行远程指导和维护。
4 结束语
AR技术的不断发展将对人类的生产和生活产生巨大而深远的影响。随着技术的成熟和实践的增加，相信AR技术可以使天气更加“可视化”。在这个过程中，业务人员需要不断创新、不懈探索。期望AR技术能够更广泛地应用于未来的气象工作中，对于贯彻落实国家气象局科学发展规划，有效推进气象现代化具有重要意义。
参考文献
[1] 田依洁,王晨.增强现实技术在气象科普工作中的应用[J].科技传播,2017,9(21):173-175.
[2] 胡天宇,张权福,沈永捷,等.增强现实技术综述[J].电脑知识与技术,2017,24(34):194-196.
[3] 李学行.虚拟自动气象站技术研究[J].气象水文海洋仪器,2019,36(1):30-34.
[4] 陈德康.全息投影、AR技术在气象业务中的应用[J].数字技术与应用,2018,36(3):116-117.
[5] 徐硕,孟坤,李淑琴,等.VR/AR应用场景及关键技术综述[J].智能计算机与应用,2017,7(6):28-31.
[6] 张媛.气象影视节目虚拟现实技术的应用现状及趋势研究[J].气象科技进展,2016,6(6):59-61.
[7] 陈国栋,余轮.虚拟现实技术在天气预报中的应用研究[J].测绘科学,2009,36(2):199-201.
