当“虚拟”走进“现实”
——探秘气象领域虚拟现实技术发展及应用
来源:中国气象报   发布时间:2019-11-08
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  电影《头号玩家》描绘了这样一幕:2045年,虚拟现实(VR)技术已经渗透到人类生活的每一个角落,但这时地球已经经历了能源危机、全球变暖等,生活环境变得非常恶劣,资源也很匮乏。很多人为了逃避混乱的现实世界,纷纷进入一个庞大的VR游戏世界——“绿洲”。在“绿洲”,你可以去任何地方,做任何事,比如在夏威夷15米高的浪尖上冲浪、在金字塔滑雪而下……

  无论电影里描绘的场景将来是否会变成现实,作为一门新兴技术,VR正在走进现实,且发展势头强劲。

  近日在2019世界VR产业大会上发布的《虚拟现实产业发展白皮书(2019年)》显示,2018年全球VR市场规模超过700亿元,同比增长126%,预计2019年将超千亿元。今年一季度,中国VR/AR(增强现实)头显设备出货量接近27.5万台,同比增长15.1%。预计到2023年,中国VR头显设备出货量将突破1000万台。

  本文科学顾问:

  解放军某部队工程师 沈晔 

  国家卫星气象中心工程师 贾煦

  国家卫星气象中心工程师 吕景天

  中国气象局气象干部培训学院高级工程师 杨睿

  华风气象影视技术中心副总师 李孟頔 

  采访人:中国气象报记者 吴鹏

  从“达摩克利斯之剑”

  到VR眼镜

  科幻小说之父儒勒·凡尔纳曾说:“一个人能够想象出来的东西,另一些人就能把这种想象变成现实。”这句话用在VR身上,也许再合适不过了。

  故事还得从美国科幻小说作家斯坦利·温鲍姆在1935年发表的一部小说——《皮格马利翁的眼镜》说起。在小说中,一位名叫阿尔伯特·路德维奇的精灵族教授发明了一副眼镜,戴上这副眼镜后,就能进入到电影当中,看到、听到、尝到、闻到和触到各种东西。你就在故事当中,能跟故事中的人物交流,你就是这个故事的主角……

  对于当时的人们来说,这当然只是温鲍姆的想象而已。然而,30余年后,也就是1968年,当麻省理工学院博士伊万·萨瑟兰与学生一起开发出世界上第一个VR头戴式显示器时,想象变成了现实。戴上这个头盔的人可以看到一个飘浮在面前的立方体,并且这一立方体会随着使用者视角的改变而改变。萨瑟兰也因此被称为“虚拟现实之父”。

  需要指出的是,这种头盔非常沉重,必须悬挂在天花板上,以减轻其压在使用者头上和脖子上的重量,因此获得了“达摩克利斯之剑”的称号。

  

  VR技术自诞生以来,经历了两次大发展。上世纪80年代以美国国家航空航天局(NASA)为首引领了第一次发展高潮,其中具有代表性的是火星探测虚拟环境视觉显示器。该设备可将火星探测器发回的数据传输到计算机中,为地面研究人员构造出火星表面的三维虚拟环境。但受限于当时的计算机技术水平,这一阶段的VR主要应用于航空航天、军事演练以及复杂系统上。直到2014年,Facebook以20亿美元收购头戴设备创业公司Oculus VR,才掀起了VR发展的第二次高潮。以谷歌、三星、索尼、高通等为代表的互联网巨头和芯片公司纷纷在VR产业上布局,并推出相应产品,比如微软全息眼镜“HoloLens”、谷歌眼镜“Google glass”、三星VR眼镜“Gear VR”。与“达摩克利斯之剑”相比,这些VR眼镜就轻便多了。

  在温鲍姆的小说中,VR三大特征——沉浸性、交互性和想象性已经开始显露出来。用户沉浸在虚拟情境中,可以产生“看得见、听得到、摸得着、闻得出”的真实感受。当然,这背后需要不同的关键技术体系支撑,包括近眼显示技术、追踪交互、高性能计算和网络通信技术等。

  近几年来,随着高分辨率显示、3D建模、高性能GPU和5G等技术的快速发展,VR内容所需的超高分辨率、全视角、3D、低延迟等性能瓶颈在一定程度上取得了突破,VR体验也得到一定提升。

  VR+气象

  与很多先进技术一样,VR最早的应用也是在军事领域。1983年美国陆军与美国国防部高级研究计划局联合出台SIMNET(SIMulator NETworking)计划,将200多台模拟器互联成网络,为士兵提供坦克协同训练。

  在虚拟环境中进行技能训练无疑可以突破时空的限制,在任何时间、地点都可以进行,而且由于完全与现实世界隔绝,因此不用担心会发生危险。

  NASA和欧洲空间局(ESA)等已经建立了航天员空间定向与导航虚拟训练系统,并成功地应用于航天员的气象环境适应性训练。美国空军为缓解飞行员短缺问题,提高他们应对复杂气象条件的能力,通过VR模拟装置加快培训新飞行员,缩短了合格飞行员的培训时间。

  2014年,中国气象局气象干部培训学院开始引入VR技术开发了“自动气象站操作与维护虚拟仿真培训系统”。该系统可对自动气象站各种精密、复杂、高危的仪器设备操作流程进行全三维仿真模拟,使传统教学不再受试验设备、试验场地、教学经费等条件的限制,可以让学员获得与实际业务操作中一样的真实体验。在虚拟环境下操作就如同玩游戏一样,而且还能看到信号流向和仪器设备内部结构等现实中无法实现的场景,增加了学员的学习兴趣,提高了培训效率。学员们在学习过程中最大的感触就是直观、易懂。

  除了技能培训外,气象科普也是VR的一个重要应用领域。利用VR技术可以模拟各种天气现象和气象灾害,人们可以在虚拟环境中学习到与天气相关的各种知识,以及应该如何应对各种灾害。当灾害真正发生时,他们就可以根据学到的知识采取正确的应对措施,从而降低风险、减少损失。例如,美国阿拉巴马州高级公共安全中心研制了“虚拟现实龙卷风模拟器”,可以模拟龙卷风突发时的情景,并加入了龙卷风音效。研发团队希望通过这种安全环境中的暴露疗法,减轻人们对极端恶劣天气的恐惧感,使他们知道在严重的天气警报发出后应该怎么做。

  四周是浩瀚的宇宙空间,卫星悬浮于地球之上,当报警器发出红色报警信号时,你会看到太空碎片(包括火箭残骸、卫星碎片等)由远及近,向自己冲来……这是国家卫星气象中心利用VR技术模拟地球近地轨道高度上太空垃圾碎片高速接近在轨卫星时的情景。空间碎片是在轨卫星,尤其是近地轨道在轨卫星的最大威胁。VR技术可以让体验者真实感受到这种威胁,并激发他们对空间碎片预警的好奇心。

  此外,国家卫星气象中心还建立了风云地球VR三维可视化展示系统,利用VR技术交互展示“风云四号”气象卫星从火箭发射到卫星入轨,以及卫星监测台风生成、发展、消亡的整个过程和台风登陆的真实场景。

  未来之路

  在冰天雪地的北极,你站在已经挺立3000年之久的巨型冰架“沃德·亨特”上,看着这个388.5平方公里大小的“庞然大物”先是出现一道小裂缝,随后裂缝逐渐扩大,足有77米宽,而且旁边又出现了一些新的裂缝,最后一块6平方公里大小的浮冰终于崩裂分离出去,溅起巨大的浪花。瘦骨嶙峋的北极熊带着自己嗷嗷待哺的孩子从你身边走过,发出几声低沉的吼叫……

  借助VR,你真正“看到”了气候变化产生的影响。在各种技术的助推下,VR技术在气象领域的应用也在一步步拓展和深入,特别是随着气候变暖、极端天气气候事件增多,对防灾减灾相关知识进行科普的需求变得尤为迫切。因此,VR技术在这些领域大有可为。

  气象学研究的是大气的天气情况、变化规律和对天气的预报。大气环境背后隐藏着复杂的物理学原理,只有尽量简化原理,才能通过VR技术模拟这些现象,达到视觉和实时性上均可接受的效果。此外,一些大气物理学原理目前仍存在争议,尚没有定论,这也增大了VR技术在气象领域的应用难度。

  科幻故事不仅预测未来,而且也影响甚至定义了未来。VR技术能够从更多维度或者更深层次满足人类创造和体验的愿望,因此被认为是下一代通用技术平台和下一代互联网的入口,是引领全球新一轮产业变革的重要力量。虽然现在的VR水平还远远达不到《头号玩家》里所描述的那种程度,但人们一旦体验过这种技术带来的丰富感官体验,就很难再回到过去了。

  未来几年,新一轮技术突破将引发VR发展浪潮。VR和5G、人工智能、大数据、云计算等前沿技术不断融合,将进一步促进VR的应用落地,全面提升VR的体验感和沉浸效果。

  【微话题】

  VR如何革新气象影视?

  近几年来,随着相关产业的发展,VR技术已经在气象影视节目中被多次成功应用。VR技术能让气象影视节目展现出更多的新鲜感和趣味性,使气象节目的收视率大大提高,让观众“听得懂、记得住”。

  美国AccuWeather公司为了满足部分消费者对高端天气预报的需求,基于三星VR眼镜“Gear VR”推出了360°沉浸式天气预报服务,可以体验实时、动态的天气状况,包括暴风雨、雪、雪暴和云等动画,使突发天气新闻的报道更加直观、生动。

  中国气象局公共气象服务中心的一些气象影视节目也尝试了VR技术。例如,在2015年举办的全国气象影视业务竞赛中,气象影视中心节目部制作的《旅游天气》就利用了VR技术,模拟旅行线路上特色旅游景观及当时的天气环境,展示了精细化的旅游天气服务能力。2016年,中国气象频道在直播台风“尼伯特”时,利用VR技术在全媒体演播室中完成了对“尼伯特”的报道,这是中国气象频道首次利用VR技术进行直播。气压层的三维模型,使单一的画面和信息变得更加立体;主持人在虚拟台风环境中从多维度来介绍台风消息,使原本很难理解的抽象概念变得更加易懂。

  利用VR技术模拟各种灾害性天气发生时的真实状况,可以让受众从通过新闻画面接受天气资讯信息,变成直接进入天气现场感受极端天气。40℃的高温、300毫米的降雨量等,都不再是概念模糊的数字,而是沉浸在极度炎热环境和倾盆大雨中的真实体验。

  此外,VR技术可以满足更加个性化、专业化和定制化的气象服务需求。例如,户外运动爱好者在进行跑步、登山、骑行等不同运动时,关注的天气维度是不同的。VR技术可以将不同类型的户外活动或者旅游场景模拟呈现,并让观众在模拟的场景环境中,获得不同时段、不同天气条件下的精细化专业气象服务产品,让面对具体受众的专业气象服务变得更具象化、更有温度感。(李孟頔)

  增强现实与混合现实

  世界著名未来学家凯文·凯利曾说,未来会有两种虚拟现实,一种就是那种常见的戴眼镜的VR,可以带来沉浸式体验,还有一种是增强现实(AR)和混合现实(MR),那这三者之间有什么区别呢?

  VR是把虚拟世界的东西呈现在你眼前,让你以为是真实的,但其实你所看到的都是虚拟出来的,它和现实世界不发生关系。

  AR是把虚拟世界的东西叠加到现实世界里。日本任天堂公司推出的Pokemon Go(中文名叫“精灵宝可梦Go”)手游就运用了AR技术:玩家可以通过手机屏幕在现实环境里发现精灵,然后进行捕捉或者战斗。比如你面前是一片真实的海滩,但透过手机屏幕,你能看见一只小精灵在海滩上;把手机移开,其实还是只有海滩,这就是把虚拟的叠加到现实里。这种叠加相对简单,用户完全能分清哪里是虚拟出来的哪里是真实的。

  与AR相反,MR是把真实世界叠加进虚拟世界里,这个难度就比AR大多了。例如,iPhone X已经能做到正面的人脸识别,原理是把激光打在脸上,建立一个3D模型。这也是MR的核心,就是要能对任何真实的物体进行3D建模,然后才能把它挪到虚拟世界里。

  美国天气频道自2015年开始尝试引入AR,曾先后使用AR与MR技术做过龙卷风、雷击、飓风、森林大火、冰雹等天气效果。例如,利用MR技术展示了2018年飓风“佛罗伦萨”引发的巨大风暴潮及其严重影响:近2米高的海浪就在天气预报主持人的身后波动起伏,在风中摇摆的树木、被洪水淹没的街道、街道上漂浮的汽车等各种物体、建筑物发出的吱吱声……所有这些都能让居民更好地意识到飓风的严重性,从而更快地做好应对准备或及时撤离。

  近一年来,伴随5G移动通信技术、云计算、超高清视频生产和显示等多种新技术的成熟,VR、AR、MR产业迎来了新一轮高速发展期。4K、8K等超高清视频内容的生产从源端提升了产品内容的分辨率、色彩空间、刷新率等指标;云计算可将更多的图形渲染、建模等耗费计算资源的功能部署在云端,从而极大节省终端的软硬件投入;5G技术的“高带宽、低延时”特性使VR、AR、MR直播、点播的清晰度和流畅度更高,同时也使人机远程交互的体验更加完美。可以预见的是,未来这些技术在气象领域的虚拟培训、远程指导和远程协同等方面,具有良好的发展前景。(吴鹏)

 

  (来源:《中国气象报》11月4日四版  责任编辑:申敏夏)

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