基于AR技術的氣象科普軟件研發(fā)與應用

摘" 要：該文提出AR技術開發(fā)氣象科普手機軟件的解決方案，旨在提升公眾對氣象知識的認知和應用能力。軟件設計注重教育性與趣味性結合，通過圖文、視頻和3D模型等形式展示氣象知識，并利用AR技術提供沉浸式學習體驗。開發(fā)過程中，采用多種軟件和技術手段，提升用戶體驗，推動氣象科普活動深入社區(qū)、學校等，有助于促進氣象科普事業(yè)的發(fā)展。

關鍵詞：增強現(xiàn)實技術；氣象科普；手機軟件；Vuforia；Unity

中圖分類號：TP311" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0037-04

Abstract： This paper proposes a solution for AR technology to develop meteorological science mobile phone software， aiming to enhance the public's awareness and application capabilities of meteorological knowledge. Software design focuses on the combination of education and fun， displays meteorological knowledge through graphics， videos and 3D models， and uses AR technology to provide an immersive learning experience. During the development process， a variety of software and technical means are used to improve user experience and promote meteorological science popularization activities to penetrate into communities， schools， etc.， which will help promote the development of meteorological science popularization.

Keywords： augmented reality technology; meteorological science popularization; mobile software; Vuforia; Unity

隨著科技的不斷進步和社會的發(fā)展，氣象科普教育在公眾生活中扮演著越來越重要的角色。氣象知識與人們的日常生活息息相關，從出行安排到農業(yè)生產，再到氣象災害預警，都離不開對氣象信息的準確理解和有效應用。然而，傳統(tǒng)的氣象科普教育方式往往受限于時間和空間的限制，難以吸引公眾的興趣和參與度。因此，如何創(chuàng)新氣象科普教育的方式，提高公眾對氣象知識的認知度和應用能力，成為當前亟待解決的問題。

近年來，增強現(xiàn)實（AR）技術的快速發(fā)展為氣象科普教育提供了新的思路和途徑。AR技術通過融合虛擬與現(xiàn)實，使用戶能夠在真實環(huán)境中與虛擬對象進行互動，為公眾提供了更加直觀、生動的氣象科普體驗。基于AR技術的氣象科普交互軟件，能夠將復雜的氣象知識以圖像、動畫等形式直觀地呈現(xiàn)出來，使用戶在互動中學習和掌握氣象知識，提高學習效果和興趣。

在此背景下，本研究旨在開發(fā)一款基于AR技術的氣象科普交互手機軟件，通過創(chuàng)新的教育方式和手段，提高公眾對氣象知識的認知度和應用能力，為氣象科普教育的發(fā)展提供新的思路和方法。

1" AR技術與科普教育

增強現(xiàn)實（AR）技術，作為一種將虛擬信息融合到現(xiàn)實世界中的技術，近年來得到了廣泛的關注和應用。采用增強現(xiàn)實技術可將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成，即把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道、觸覺等信息）通過科學技術進行模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗[1]。其基本原理在于，通過計算機生成的圖像、文字或其他信息，實時地疊加到用戶所觀察到的真實世界上，從而提供一種復合的視覺體驗。這種技術的核心在于對現(xiàn)實世界的增強，而不是完全取代它。

AR技術的實現(xiàn)依賴于多個關鍵技術的結合，包括圖像識別與跟蹤、空間定位、3D渲染以及用戶交互等。圖像識別技術使得AR系統(tǒng)能夠識別出真實世界中的特定圖像或物體，并在此基礎上疊加虛擬信息。空間定位技術則確保這些虛擬信息能夠準確地放置在現(xiàn)實世界的特定位置，與真實環(huán)境完美融合。3D渲染技術負責生成逼真的虛擬圖像，而用戶交互技術則讓用戶能夠與這些虛擬信息進行自然的交互。

在科普領域，AR技術的應用顯示出了巨大的潛力。它能夠提供一種全新的、沉浸式的學習方式，讓公眾通過直觀、生動的視覺體驗來理解和掌握知識。特別是在氣象科普教育中，AR技術可以幫助公眾更直觀地理解復雜的氣象現(xiàn)象和原理，提高學習效果和興趣。

1.1" 國內現(xiàn)狀

AR技術在中國的科普領域已經得到了廣泛的應用。從自然博物館的恐龍殘骸復原[2]，到科普館的“中國天眼”AR模型體驗[3]，AR技術為公眾提供了直觀、生動的科普體驗，同時緊緊抓住圖像效果的多場景融合這一核心，在科普類兒童繪本[4]、地震科普軟件[5]制作中均有應用。這些應用不僅豐富了科普內容的展現(xiàn)形式，還提高了公眾對科學的興趣和參與度。

近年來，隨著智能手機和移動互聯(lián)網的普及，AR技術在中國的發(fā)展非常迅速。許多科技公司和教育機構都在積極探索AR技術在科普領域的應用，推動了技術的不斷進步和創(chuàng)新。根據中國中研普華產業(yè)研究院的預測，中國VR/AR市場規(guī)模在2023年底有望達到1 000億元人民幣，其中AR市場占據穩(wěn)健的增長態(tài)勢[6]。這表明，AR技術在中國的科普領域具有廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2" 國外現(xiàn)狀

在全球范圍內，美國在AR技術方面處于領先地位。許多知名的科技公司如谷歌、蘋果、微軟等都投入了大量資源進行AR技術的研發(fā)和應用。這些公司在AR硬件、軟件和應用方面取得了顯著成果，推動了AR技術的快速發(fā)展。

在國外，AR技術在科普領域的應用場景非常豐富。在倫敦科學博物館，參觀者通過手機攝像頭對準特定標識，即可看到虛擬講解員，提供豐富的科普信息。在教育領域，AR技術可以為學生提供沉浸式的學習體驗，提高學習效果和興趣，泰國一家科技公司在2008年成功研發(fā)出了全球首套基于增強現(xiàn)實技術的兒童科普繪本，這項成果推動了增強現(xiàn)實技術在兒童科普繪本領域的廣泛應用和發(fā)展。

2" 氣象科普軟件設計思路

2.1" 設計目標

在設計一款AR氣象科普軟件時，首要目標是創(chuàng)造一個既具有教育價值又充滿趣味性的互動平臺，使用戶能夠輕松、直觀地了解氣象知識。通過AR技術，將復雜的氣象現(xiàn)象和原理以直觀、易懂的方式呈現(xiàn)給用戶，提高公眾的氣象意識和科學素養(yǎng)。利用AR技術的趣味性和互動性，激發(fā)用戶對氣象學習的興趣，提高學習效果。通過模擬真實的氣象場景，讓用戶親身體驗氣象現(xiàn)象，提高應對自然災害的能力。

2.2" 功能設計

氣象知識展示：通過AR技術，展示風、云、霧等自然現(xiàn)象產生的原因，以及氣象災害的形成和應對措施。同時，結合圖文、視頻等多種形式，詳細介紹氣象基礎知識。

氣象儀器展示：通過AR技術將氣象儀器的3D模型展示給用戶，讓用戶身臨其境地感受氣象的力量和美麗。

2.3" 開發(fā)流程概述

開發(fā)氣象科普手機軟件主要使用的軟件和系統(tǒng)有Unity、Vuforia、Adobe Photoshop、Adobe premiere和Visual Studio 2022等。首先在Vuforia開發(fā)者平臺上創(chuàng)建一個新的數據庫，在Target Manager中上傳想要在手機應用中識別的圖片，這些圖片將被用作AR內容的觸發(fā)器，下載數據庫資源和License Key到Unity項目中配置Vuforia SDK。其次，在Unity中創(chuàng)建一個包含ARcamera組件的新場景，將使用Adobe Photoshop和Adobe premiere剪輯制作的圖片和視頻以及使用Unity制作的3D模型導入到Unity項目中，將從Vuforia下載的數據庫資源與導入的視頻和3D模型關聯(lián)起來，當應用識別到相應的圖片時，將顯示相應的視頻或3D模型。最后，需要在Unity的編輯器中使用模擬器或者連接真實設備進行測試，并根據測試的結果進行必要的調試和優(yōu)化工作，以確保應用的穩(wěn)定性和性能，測試完成后即可選擇需要的目標平臺構建應用，同時使用Adobe Photoshop軟件制作一套配合手機軟件使用的氣象科普圖冊。開發(fā)流程圖如圖1所示。

2.4" 研發(fā)關鍵技術

2.4.1" Vuforia配置

首先，在Vuforia開發(fā)者平臺上創(chuàng)建一個新的工程并設置Android環(huán)境，獲取License Key，在Target Manager中管理需要識別的圖片，根據所使用的開發(fā)平臺導出相對應的數據庫。其次，在Unity中創(chuàng)建一個新的項目，加載Vuforia Engine和Vuforia Core Samples兩個插件，新建ARcamera并設置相關參數。最后，加載下載好的數據庫和創(chuàng)建的3D模型，創(chuàng)建目標圖片對象。

2.4.2" 搭建網站存儲視頻

創(chuàng)建一個Vuforia的ImageTarget并且為其添加一個VideoPlayer組件，如果選擇直接將視頻文件拖拽到VideoPlayer的VideoClip選項中，會使得最后導出的手機軟件安裝包非常大，不利于后期氣象科普時的推廣應用。因此，本文選擇在服務器中搭建一個網站，將所需的視頻上傳至網站，通過網站獲取視頻的URL鏈接，將鏈接放入對應的VideoClip中，這將大大減小手機軟件的安裝包大小。

2.4.3" AR內容控制

控制播放進度條和播放按鈕，實現(xiàn)代碼如下。

void Update（）

{

if （mVideoPlayer.isPlaying）

{

ShowPlayButton（1）;//隱藏播放按鈕

if （mVideoPlayer.frameCountlt;float.MaxValue）

{

var frame = （float）mVideoPlayer.frame;// 獲取當前播放的幀數

var count = （float）mVideoPlayer.frameCount;// 獲取視頻的總幀數

if （ProgressBar ！= 1）

{

var progressPercentage = count gt; 0 ？ frame / count * 100.0f ： 0f;// 計算播放進度百分比

ProgressBar.sizeDelta = new Vector2（progressPercentage， ProgressBar.sizeDelta.y）;// 更新進度條的寬度以反映播放進度

}

}

}

else

ShowPlayButton（true）;// 如果視頻沒有播放，則顯示播放按鈕

控制視頻、音頻播放，實現(xiàn)代碼如下。

public void Play（）//用于播放視頻

{

Debug.Log（“Play Video”）;

PauseAudio（1）;

mVideoPlayer.Play（）;

ShowPlayButton（1）;

}

public void Pause（）//用于暫停視頻

{

if （mVideoPlayer）

{

Debug.Log（“Pause Video“）;

PauseAudio（true）;

mVideoPlayer.Pause（）;

ShowPlayButton（true）;

}

}

控制3D模型自動旋轉進行展示，實現(xiàn)代碼如下。

public float rotateSpeed = 90f; // 旋轉速度，單位是度/秒

void Update（）

{

float rotationAngle = rotateSpeed * Mathf.Deg2Rad * Time.deltaTime*3; // 將度/秒轉換為弧度/幀

transform.Rotate（0， 0， rotationAngle， Space.Self）; // 繞Z軸旋轉物體

}

3" 科普軟件運行效果

3.1" 成果展示

在手機上安裝軟件后打開，軟件會自動調用手機的攝像功能，當攝像頭識別到現(xiàn)實中的識別物圖像后會自動觸發(fā)程序進入AR交互狀態(tài)，在屏幕中顯示識別物對應的科普視頻或3D模型，如圖2、圖3所示。用戶可以通過點擊屏幕中心控制視頻的播放和暫停，并且為了視頻播放的連貫性，視頻播放后手機攝像頭即使離開識別物也能繼續(xù)在后臺播放聲音，視頻暫停攝像頭離開識別物再返回時點擊播放仍然從上次暫停的畫面開始。

3.2" 社會效益

近年來，中國政府高度重視氣象科普事業(yè)的發(fā)展。2022年國務院印發(fā)的《氣象高質量發(fā)展綱要（2022—2035年）》中明確提出，要“加快推進氣象現(xiàn)代化建設，努力構建科技領先、監(jiān)測精密、預報精準、服務精細、人民滿意的現(xiàn)代氣象體系”，這為氣象科普事業(yè)的發(fā)展提供了強有力的政策支持[7]。

隨著科技的發(fā)展，氣象科普的形式也日益多樣化。除了傳統(tǒng)的講座、展覽外，還出現(xiàn)了AR氣象科普、虛擬現(xiàn)實（VR）氣象科普等新型科普形式，使得氣象科普更加生動有趣。本文開發(fā)的AR氣象科普交互軟件通過增強現(xiàn)實技術，將氣象科學以直觀、生動的形式呈現(xiàn)給公眾，使得氣象知識不再局限于傳統(tǒng)的書籍和講座，而是通過智能手機、平板電腦等智能設備，隨時隨地地進行學習和互動，有助于氣象科普活動走出傳統(tǒng)場館，進入社區(qū)、學校、企事業(yè)單位等，通過互動式、體驗式科普活動，增強了公眾對氣象科學的興趣和認知，提高了公眾對氣象現(xiàn)象和氣候變化的認識，增強對氣象災害的防范意識和應對能力，有助于減少氣象災害帶來的損失。

4" 結束語

隨著科技的日新月異，增強現(xiàn)實（AR）技術為氣象科普教育注入了新的活力。本研究開發(fā)的基于AR技術的氣象科普交互手機軟件，不僅為公眾提供了一個直觀、生動的氣象知識學習平臺，更通過其趣味性和互動性激發(fā)了公眾對氣象科學的興趣。通過此軟件，用戶可以輕松地理解復雜的氣象現(xiàn)象和原理，提高氣象意識和科學素養(yǎng)，進而更好地應對氣象災害。

參考文獻：

[1] 王涌天，陳靖，程德文.增強現(xiàn)實技術導論[M].北京：科學出版社，2015.

[2] 毛文漪，吳優(yōu)，萬胡旖，等.新媒體背景下交互體驗式文創(chuàng)產品設計探索——以浙江自然博物院AR科普文創(chuàng)為例[J].自然博物，2022，7（00）：107-111.

[3] 廖雨晴，江林焱，葉行高，等.基于AR及3D打印技術制作FAST科普作品[J].中國校外教育，2020（18）：63，65.

[4] 曹靖云.基于沉浸式體驗的兒童AR科普讀物設計研究[D].杭州：浙江農林大學，2022.

[5] 趙晶，羅松，李建亮.基于增強現(xiàn)實技術的地震科普軟件開發(fā)與設計[J].華北地震科學，2023，41（1）：69-74.

[6] VR/AR行業(yè)深度調研及投資分析2023[EB/OL].https：//www.chinairn.com/scfx/20230612/161008414.shtml.

[7] 邵穎斌，江曉南，畢瀟瀟.“兩難”困境下決策氣象服務的策略探析[J].中國防汛抗旱，2023，33（7）：74-78.