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3D动画技术在气象观测之应用

3D动画技术在气象观测之应用

吕旭升
2021年1月

许多的天气要素现今都可以利用先进的气象仪器测量,但仍然有少部分的要素,例如云属等,还没有全自动观测方法。天文台近年尝试引入电脑立体视觉技术,帮助天气观测员进行对云方面的天气观测工作。
人类透过左右双眼同时观察,获得两个影像,并透过脑部处理两者之间些微的差别,产生对物件的立体及空间观感(如深度或距离),称为视差原理(图一)。
图一
图一  左眼看到的星星会在蓝色方格偏右的位置,而右眼看到的星星则在蓝色方格偏左的位置,这个差异称为视差。
读者可以透过以下方法理解视差:将手指放在鼻前一段距离,并轮流张开、闭上左右眼,可发现左右眼看到的两个影像存在些微差别,而且手指距离鼻尖愈近的话,视差愈大(图二)。
图二  被测物件距离双眼愈近,视差愈大。人脑透过分辨视差的大小,便能判断物件的近远。
电脑立体视觉技术,是基于这个视差原理,它模仿人类双眼,利用两支或以上的摄影机从不同的位置获取被测物件的多个图像,并通过计算图像中被测物件上各对应点之间的位置偏差,来获取物件的三维几何信息。3D电影也是利用同一原理,在拍摄时会采用两支摄影机去记录信息,然后借助3D眼镜把图像分开,来展现立体效果。如果两支摄影机相距的距离越远,视差就会越大,对分析较远的物件的三维结构会较准确。
天气观测员在观天时,通常透过已知高度的地标作为参考,从而推算云底大约的高度。虽然云幂仪可以提供辅助,但它只可以提供局地的垂直观测,并不复盖该观测点以外的观测范围。除此之外,天气观测员并不能够每分每刻都在观天,即使利用实时的天气照片,照片始终是二维空间,并不能够提供云底高度等重要三维信息。云底高度对于分辨云种极为重要,尤其是识别高影响天气的云种,如积雨云等。另外,当云底非常低时,这可能直接影响飞机师能否看见机场跑道,可见云底高度对航空安全是非常重要。天文台近年在香港国际机场安装了多支高清摄影机,并希望透过电脑立体成像技术,对云相关的观测工作进行自动化。初步试验显示,这种立体成像技术能够将机场附近的山和积雨云,建构出三维几何图像(图三)。现时技术发展还在起步阶段,要应用在观测业务上,仍有待进一步研发及验证。
图三  透过两支高清摄影机,并结合电脑立体成像技术,所制成的三维图像。