3D動畫技術在氣象觀測之應用
3D動畫技術在氣象觀測之應用
呂旭昇
2021年1月
許多的天氣要素現今都可以利用先進的氣象儀器測量,但仍然有少部分的要素,例如雲屬等,還沒有全自動觀測方法。天文台近年嘗試引入電腦立體視覺技術,幫助天氣觀測員進行對雲方面的天氣觀測工作。
人類透過左右雙眼同時觀察,獲得兩個影像,並透過腦部處理兩者之間些微的差別,產生對物件的立體及空間觀感(如深度或距離),稱為視差原理(圖一)。

圖一 左眼看到的星星會在藍色方格偏右的位置,而右眼看到的星星則在藍色方格偏左的位置,這個差異稱為視差。
讀者可以透過以下方法理解視差:將手指放在鼻前一段距離,並輪流張開、閉上左右眼,可發現左右眼看到的兩個影像存在些微差別,而且手指距離鼻尖愈近的話,視差愈大(圖二)。

圖二 被測物件距離雙眼愈近,視差愈大。人腦透過分辨視差的大小,便能判斷物件的近遠。
電腦立體視覺技術,是基於這個視差原理,它模仿人類雙眼,利用兩支或以上的攝影機從不同的位置獲取被測物件的多個圖像,並通過計算圖像中被測物件上各對應點之間的位置偏差,來獲取物件的三維幾何信息。3D電影也是利用同一原理,在拍攝時會採用兩支攝影機去記錄信息,然後借助3D眼鏡把圖像分開,來展現立體效果。如果兩支攝影機相距的距離越遠,視差就會越大,對分析較遠的物件的三維結構會較準確。
天氣觀測員在觀天時,通常這連結會以新視窗打開。透過已知高度的地標作為參考,從而推算雲底大約的高度。雖然雲冪儀可以提供輔助,但它只可以提供局地的垂直觀測,並不覆蓋該觀測點以外的觀測範圍。除此之外,天氣觀測員並不能夠每分每刻都在觀天,即使利用實時的天氣照片,照片始終是二維空間,並不能夠提供雲底高度等重要三維信息。雲底高度對於分辨雲種極為重要,尤其是識別高影響天氣的雲種,如這連結會以新視窗打開。積雨雲等。另外,當雲底非常低時,這可能直接影響飛機師能否看見機場跑道,可見雲底高度對航空安全是非常重要。天文台近年在香港國際機場安裝了多支高清攝影機,並希望透過電腦立體成像技術,對雲相關的觀測工作進行自動化。初步試驗顯示,這種立體成像技術能夠將機場附近的山和積雨雲,建構出三維幾何圖像(圖三)。現時技術發展還在起步階段,要應用在觀測業務上,仍有待進一步研發及驗證。

圖三 透過兩支高清攝影機,並結合電腦立體成像技術,所製成的三維圖像。