增強現實技術在氣象科普工作中的應用

田依潔+王晨

摘 要 近年來新媒體技術發展異常迅速，增強現實技術普遍應用于教育、醫療、建筑、交通、農業、軍事等眾多領域。本文通過介紹氣象部門在增強現實產品領域的嘗試，淺析增強現實技術在氣象宣傳科普工作領域中的初試效果，為增強現實技術在氣象宣傳科普工作中的應用及發展提出了自己的意見和想法，推動氣象科普工作創新、多元發展。

關鍵詞 增強現實：氣象科普；技術

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）198-0173-03

隨著互聯網技術的飛速發展，以及智能移動終端設備的快速普及，增強現實技術也得到了迅速發展。增強現實技術通過其虛實結合、實時互動、三維立體等特點為用戶帶來了全新體驗。增強現實技術作為一個新興的多學科交叉研究領域，目前已廣泛應用于教育、醫療、建筑、交通、農業、軍事等行業。這讓我們看到了增強現實技術的媒介傳播價值，開始嘗試將增強現實技術應用于氣象科普領域。

1 增強現實技術概述

增強現實技術的誕生一方面是應時代的發展，另一方面是為了彌補虛擬現實技術完全脫離現實而獨自呈現的不足[1]。1990年波音公司計算機研究部門科學家托馬斯·考德爾創造了“增強現實”一詞，當時考德爾開發增強現實技術的目的，主要用于輔助技術人員安裝第一架波音777噴氣客機內部千絲萬縷的電纜線，提高工作效率[2]。

1.1 概念

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）是在虛擬現實技術——Virtual Reality，簡稱VR）的基礎上發展起來的一個分支[1]。增強現實技術利用計算機系統產生現實環境中并不存在的虛擬信息，這些虛擬信息可被用戶以視覺、聽覺、觸覺、等方式感知，成為周圍真實環境的組成部分，從而增強用戶對現實世界的感知[3]。

1.2 特點

增強現實技術具有較為突出的三大特點，即虛實結合、實時互動、三維立體。虛實結合，增強現實技術的主要特點體現在實現虛擬事物和真實環境的結合，讓真實世界和虛擬物體共存，增強現實技術更強調在現實環境中通過疊加虛擬內容，展現虛擬內容伴隨現實環境而變化；實時互動，增強現實技術通過圖像識別，能夠實現讓用戶使用智能終端設備識別標志物，迅速完成信息合成，將現實環境疊加虛擬內容傳達給用戶，用戶可通過預制功能實現對虛擬內容的個性化處理，實現了用戶在真實與虛擬環境融合產生的新環境中完成交流互動；三維立體，在三維尺度空間中增添定位虛擬物體，增強現實技術中需要通過實時跟蹤攝像機姿態，實時計算出攝像機影像位置及角度，定位出虛擬圖像于真實場景中的注冊位置，以實現虛擬世界與真實世界更自然的融合[4]。

增強現實技術實現虛擬世界和真實世界的實時同步，滿足用戶在現實世界中真實地感受虛擬空間中模擬的事物，增強使用的趣味性和互動性。

1.3 傳播價值

增強現實的傳播價值主要體現在3個方面。第一，增強現實技術在現實環境中構建出虛擬模型，既擺脫了現實場景的束縛又打破現實場景所能呈現的形式內容限制。第二，增強現實技術中的虛擬模型來源于現實生活，是真實事物的客觀反映，容易引起受眾的認同與共鳴。虛擬模型對現實的這種反映可以是模仿的、再現的，也可以是間接的、投影的、投射的，還可以是比照的、反向的、變形的、變異的[5]。通過虛擬提供特定功能，以滿足人們的心理追求及解決問題的需要，從而達到引起受眾的認同與共鳴的目的。第三，增強現實技術的超現實屬性能夠實現科普傳播中的資源整合及效率提升。虛擬對現實的提煉篩除，摒棄了現實中的異常和干擾，令傳播消息簡明扼要，可大量節約傳播資源，提升傳播效率[5]，虛擬模型亦可自由搭配、集成組合，針對不同受眾可以專門定制。

2 增強現實技術在氣象科普應用中的優勢分析

隨著互聯網技術的飛速發展以及智能移動終端設備的快速普及，公眾獲取知識的方式和場所越來越多樣化，也越來越方便、快速。公眾需要獲得的知識種類越來越多，知識深度愈發加深，通過傳統的專業書籍、專業期刊、媒體宣傳等方式獲取知識的方式，已無法滿足公眾對知識快速更新的要求，公眾逐漸開始依靠互聯網獲取知識。公眾希望能夠在任何時間、任何地點，通過智能移動終端訪問互聯網，快速、準確地得到形象、生動、通俗的專業知識。

增強現實技術依托其具有的沉浸性、交互性、虛實結合、及三維立體等優勢，能夠為公眾提供移動化、個性化的學習方式，并能將復雜難懂的科學問題轉化成具象模型，增加知識趣味性、通俗性。

2.1 增強知識趣味性

由于增強現實技術具有視覺、聽覺一體化的感知效果，用戶具有真實情境體驗、自主操作交互的感受，讓原本枯燥無味的知識變得可互動、可感知。身臨其境的感受和自然豐富的交互體驗不僅極大地激發了公眾的學習動機，更給公眾提供了大量親身觀察、操作的機會，促進了公眾的認知過程及知識建構過程，有利于實現深層次

理解[6]。

傳統的學習方式讓很多受眾覺得枯燥乏味，而采用增強現實技術開展氣象科工作，能夠極大地提升知識的趣味性，生動形象的場景會加強受眾的記憶，激發公眾的學習興趣。

2.2 移動化、個性化的學習方式

在虛實結合的場景中補充大量數據信息以模擬真實環境，增強現實技術能夠將我們所希望傳播的知識進行碎片化處理，分成若干小知識點嵌入虛擬模型中，用戶根據自身需要，完成對知識點的探索、發現、過濾等過程，實現個性化學習。

隨著人們迫切希望擺脫事件和空間對學習的限制，能夠自主靈活安排的移動化學習方式愈發受到推崇。增強現實技術在運行平臺方面從成本高昂的桌面計算機或工作站逐漸轉向成本較低的移動平臺，在顯示設備方面從頭戴顯示器、立體眼鏡逐漸轉向平板電腦或手機等移動終端，用戶逐漸擺脫設備對使用環境的限制，開始能夠在零散時間（上下班途中、睡前等）中體驗、學習增強現實所帶來的知識和樂趣[7]。endprint

2.3 形象直觀理解復雜科學

增強現實對于在實踐中理解專業性較強的知識或者體驗專業性較強的作業過程而言，具有很高的實用價值。如氣象科普工作中存在一些專家難以使用通俗語言解釋、公眾又難以理解專業性表達的問題，專家難以將抽象的理論知識呈現給公眾，只能用語言為其講解，公眾在單調乏味的環境中難以吸收、消化枯燥的理論知識。又如一些專業氣象觀測設備（氣象衛星、多普勒雷達等）難以實現對公眾開放參觀；而一些專業性較強作業過程（人工影響天氣作業等）具有一定的危險性，公眾無法到真實場景中去實踐感知。

3 氣象科普應用嘗試

基于對增強現實技術特點及優勢的分析，氣象科普工作嘗試引入增強現實技術。首批產品將重點展示氣象科技裝備（平時難以向公眾開放參觀的，公眾經常在互聯網看到介紹而不能現場體驗的）。

3.1 研發制作

本著帶領公眾認識氣象、向公眾展示氣象智能科技、讓公眾通過AR產品進行科普互動的研發制作理念，我們嘗試制作一套《玩轉氣象——AR互動氣象裝備》增強現實產品。這其中包括平時難以向公眾開放參觀的風云氣象衛星、多普勒天氣雷達，公眾經常在互聯網看到介紹而不能現場體驗的地面氣象觀測場、氣象應急指揮車，以及專業性作業設備人工影響天氣作業飛機和做作業車。

風云氣象衛星展示了風云系列氣象衛星（包括靜止氣象衛星和極軌氣象衛星）工作方式、運行軌道以及衛星上主要部件的詳細功能。用戶可通過點擊音頻介紹按鈕聽取聲音介紹，還可通過點擊組裝按鈕實現分布組裝氣象衛星。

地面氣象觀測場展示了標準氣象觀測場，包括風桿、百葉箱、蒸發池、閃電定位儀等9種常規觀測設備。用戶可通過文字、聲音兩種方式了解每種觀測設備的功能及工作方式，并且能夠逐一拆解觀測設備，了解其內部結構。

人工影響天氣作業飛機、作業車主要展示了人工影響天氣作業的兩種方式。人工影響天氣作業飛機詳細展示了作業飛機上的各種儀器，通過文字、聲音介紹了其工作原理及作業方式。用戶可通過點擊起飛按鈕，展現飛機飛入云層的效果；通過點擊發射按鈕實現人工影響天氣作業，形成降雨。

3.2 應用及效果

我們將研發制作的增強現實產品應用于幼兒啟蒙科普（通過寓教于樂的方式激發小孩子了解氣象科學的興趣）、提高青少年科學文化素質（讓中小學生通過真實、形象的三維立體模型學習、理解復雜的科學原理）和氣象科普場館展項等方面。

提高青少年科學文化素質，就是要讓青少年了解必要的科學技術知識、掌握基本的科學方法、樹立科學思想，但青少年的知識儲備相對較少，難以從字面上理解、掌握復雜的氣象科學原理。《玩轉氣象——AR互動氣象裝備》的每一個產品通過虛擬立體模型為青少年直觀、形象展示、講解了原本枯燥、難懂的科學原理知識。從用戶滿意度反饋中發現，青少年對增強現實氣象科普產品提升記憶力和理解力方面滿意度最高。增強現實氣象科普產品通過其自身特點及優勢，能夠培養青少年自主學習、合作學習、探究學習的能力。

作為普及科學技術知識、傳播科學思想和科學方法的平臺，科普場館自誕生之日起，便成為面向公眾開展經常性、群眾性科普展覽教育活動的重要前沿陣地[8]。氣象科普場館近年來堅持研發帶有互動參與系統的新興展項，如增強現實互動展項、虛擬現實蛋椅等。我們已將《玩轉氣象——AR互動氣象裝備》增強現實產品作為交流互動展項應用于中國氣象科普展廳及2017氣象科技周活動中的氣象科技展覽。

3.3 局限性

在研發制作氣象科普增強現實產品的過程中我們發現，目前增強現實技術門檻較高，開發制作成本較貴，增強現實的核心技術較為復雜，普通氣象科普工作人員難以直接參與研發、掌握和運用增強現實技術。

目前開發制作的氣象科普AR產品，公眾需要下載安裝AR產品附贈的應用程序后，使用智能移動終端掃描對應圖片，才能呈現相應的AR資源。在應用過程中我們發現，AR產品必須依靠智能終端設備及穩定安全的網絡環境才能正常使用，這給增強現實產品帶來了較大局限性。首先，雖然目前智能手機已經非常普及，但是獲取任何AR資源都需要下載專用App，這讓公眾快速、便捷的體驗感大大降低。其次，獲取AR資源需要依靠安全穩定的網絡環境，在某些偏遠地區或遭受氣象災害致使網絡環境很差的地區，公眾無法獲取科普知識或防御辦法。除此之外，當AR產品應用于幼兒啟蒙教育的時候，家長對于兒童長時間使用電子設備心存較大疑慮甚至是反對，有相當一部分家長明確表示擔心使用AR產品會影響兒童的視力健康。

4 結論

人工智能和大數據分析如何影響、推進今后科普工作的發展方向，為我們氣象科普工作提出了新的研究課題。氣象科普在未來研發制作的AR產品將結合更多高新科技元素，如人工智能、云計算、大數據等技術。隨著增強現實技術的發展，其在氣象領域的發展前景也將會越來越廣闊。

增強現實產品帶給我們的不僅僅是一個技術平臺或工具，更會孕育出一種新型傳授、解析科學的模式和學習方法[9]。將增強現實技術廣泛地應用到氣象科普工作中，對于貫徹落實中國氣象局科普發展規劃、切實推進氣象科普工作具有重大意義。

參考文獻

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[8]泉琳.新媒體時代下的科普場館[J].科學新聞.2016（12）：38-41.

[9]王同聚.虛擬和增強現實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育，2017，3（1）：1-10.endprint