基于AR技術(shù)的氣象科普軟件研發(fā)與應(yīng)用

摘" 要：該文提出AR技術(shù)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(rèn)知和應(yīng)用能力。軟件設(shè)計注重教育性與趣味性結(jié)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(shù)提供沉浸式學(xué)習(xí)體驗。開發(fā)過程中，采用多種軟件和技術(shù)手段，提升用戶體驗，推動氣象科普活動深入社區(qū)、學(xué)校等，有助于促進氣象科普事業(yè)的發(fā)展。

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

中圖分類號：TP311" " " 文獻標(biāo)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(guān)，從出行安排到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，再到氣象災(zāi)害預(yù)警，都離不開對氣象信息的準(zhǔn)確理解和有效應(yīng)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(rèn)知度和應(yīng)用能力，成為當(dāng)前亟待解決的問題。

近年來，增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)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(shù)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?；贏R技術(shù)的氣象科普交互軟件，能夠?qū)?fù)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(xué)習(xí)和掌握氣象知識，提高學(xué)習(xí)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(shù)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(rèn)知度和應(yīng)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(shù)與科普教育

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，作為一種將虛擬信息融合到現(xiàn)實世界中的技術(shù)，近年來得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。采用增強現(xiàn)實技術(shù)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(nèi)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(xué)技術(shù)進行模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)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(fù)合的視覺體驗。這種技術(shù)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(shù)的實現(xiàn)依賴于多個關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)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(shù)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(chǔ)上疊加虛擬信息?？臻g定位技術(shù)則確保這些虛擬信息能夠準(zhǔn)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(shù)負(fù)責(zé)生成逼真的虛擬圖像，而用戶交互技術(shù)則讓用戶能夠與這些虛擬信息進行自然的交互。

在科普領(lǐng)域，AR技術(shù)的應(yīng)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(xué)習(xí)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(shù)可以幫助公眾更直觀地理解復(fù)雜的氣象現(xiàn)象和原理，提高學(xué)習(xí)效果和興趣。

1.1" 國內(nèi)現(xiàn)狀

AR技術(shù)在中國的科普領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。從自然博物館的恐龍殘骸復(fù)原[2]，到科普館的“中國天眼”AR模型體驗[3]，AR技術(shù)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(yīng)用。這些應(yīng)用不僅豐富了科普內(nèi)容的展現(xiàn)形式，還提高了公眾對科學(xué)的興趣和參與度。

近年來，隨著智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，AR技術(shù)在中國的發(fā)展非常迅速。許多科技公司和教育機構(gòu)都在積極探索AR技術(shù)在科普領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新。根據(jù)中國中研普華產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)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(jù)穩(wěn)健的增長態(tài)勢[6]。這表明，AR技術(shù)在中國的科普領(lǐng)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(nèi)，美國在AR技術(shù)方面處于領(lǐng)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(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。這些公司在AR硬件、軟件和應(yīng)用方面取得了顯著成果，推動了AR技術(shù)的快速發(fā)展。

在國外，AR技術(shù)在科普領(lǐng)域的應(yīng)用場景非常豐富。在倫敦科學(xué)博物館，參觀者通過手機攝像頭對準(zhǔn)特定標(biāo)識，即可看到虛擬講解員，提供豐富的科普信息。在教育領(lǐng)域，AR技術(shù)可以為學(xué)生提供沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，提高學(xué)習(xí)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(shù)的兒童科普繪本，這項成果推動了增強現(xiàn)實技術(shù)在兒童科普繪本領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

2" 氣象科普軟件設(shè)計思路

2.1" 設(shè)計目標(biāo)

在設(shè)計一款A(yù)R氣象科普軟件時，首要目標(biāo)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(shù)，將復(fù)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(xué)素養(yǎng)。利用AR技術(shù)的趣味性和互動性，激發(fā)用戶對氣象學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)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(yīng)對自然災(zāi)害的能力。

2.2" 功能設(shè)計

氣象知識展示：通過AR技術(shù)，展示風(fēng)、云、霧等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，以及氣象災(zāi)害的形成和應(yīng)對措施。同時，結(jié)合圖文、視頻等多種形式，詳細(xì)介紹氣象基礎(chǔ)知識。

氣象儀器展示：通過AR技術(shù)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(shù)據(jù)庫，在Target Manager中上傳想要在手機應(yīng)用中識別的圖片，這些圖片將被用作AR內(nèi)容的觸發(fā)器，下載數(shù)據(jù)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(dǎo)入到Unity項目中，將從Vuforia下載的數(shù)據(jù)庫資源與導(dǎo)入的視頻和3D模型關(guān)聯(lián)起來，當(dāng)應(yīng)用識別到相應(yīng)的圖片時，將顯示相應(yīng)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(shè)備進行測試，并根據(jù)測試的結(jié)果進行必要的調(diào)試和優(yōu)化工作，以確保應(yīng)用的穩(wěn)定性和性能，測試完成后即可選擇需要的目標(biāo)平臺構(gòu)建應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)

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(shè)置Android環(huán)境，獲取License Key，在Target Manager中管理需要識別的圖片，根據(jù)所使用的開發(fā)平臺導(dǎo)出相對應(yīng)的數(shù)據(jù)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(shè)置相關(guān)參數(shù)。最后，加載下載好的數(shù)據(jù)庫和創(chuàng)建的3D模型，創(chuàng)建目標(biāo)圖片對象。

2.4.2" 搭建網(wǎng)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(dǎo)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(yīng)用。因此，本文選擇在服務(wù)器中搭建一個網(wǎng)站，將所需的視頻上傳至網(wǎng)站，通過網(wǎng)站獲取視頻的URL鏈接，將鏈接放入對應(yīng)的VideoClip中，這將大大減小手機軟件的安裝包大小。

2.4.3" AR內(nèi)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(dāng)前播放的幀數(shù)

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

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(zhuǎn)進行展示，實現(xiàn)代碼如下。

public float rotateSpeed = 90f; // 旋轉(zhuǎn)速度，單位是度/秒

void Update（）

{

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

transform.Rotate（0， 0， rotationAngle， Space.Self）; // 繞Z軸旋轉(zhuǎn)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(diào)用手機的攝像功能，當(dāng)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(yīng)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(wù)院印發(fā)的《氣象高質(zhì)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(shè)，努力構(gòu)建科技領(lǐng)先、監(jiān)測精密、預(yù)報精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)、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(shù)，將氣象科學(xué)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(shè)備，隨時隨地地進行學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)的興趣和認(rèn)知，提高了公眾對氣象現(xiàn)象和氣候變化的認(rèn)識，增強對氣象災(zāi)害的防范意識和應(yīng)對能力，有助于減少氣象災(zāi)害帶來的損失。

4" 結(jié)束語

隨著科技的日新月異，增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)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(shù)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(xué)習(xí)平臺，更通過其趣味性和互動性激發(fā)了公眾對氣象科學(xué)的興趣。通過此軟件，用戶可以輕松地理解復(fù)雜的氣象現(xiàn)象和原理，提高氣象意識和科學(xué)素養(yǎng)，進而更好地應(yīng)對氣象災(zāi)害。

參考文獻：

[1] 王涌天，陳靖，程德文.增強現(xiàn)實技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)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(chǎn)品設(shè)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(shù)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(shè)計研究[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué)，2022.

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

[6] VR/AR行業(yè)深度調(diào)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(wù)的策略探析[J].中國防汛抗旱，2023，33（7）：74-78.