徐超，李靖君，向銀花，王振鵬，吝紅軍，王坤林

中國科學(xué)院廣州能源研究所 ，廣東 廣州 510640

引言

2016年，習(xí)近平總書記在“全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會”上指出：“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。沒有全民科學(xué)素質(zhì)普遍提高，就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍，難以實現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化?！盵1]。習(xí)近平總書記的這段重要講話對于科學(xué)普及事業(yè)具有重大的意義，發(fā)達國家先進的經(jīng)驗表明，社會進步的內(nèi)在動力包括科技的進步與普及[2]。雖然近年來，我國公民的科學(xué)素質(zhì)提升明顯，但與發(fā)達國家相比還存在較大差距。同時，科普工作者也亟需創(chuàng)新科普理念、豐富科普展示形式來滿足前沿科學(xué)知識通俗化表達需求以及公眾更深層次的體驗式理解需求。

科學(xué)普及的核心是科技創(chuàng)新，由于科技創(chuàng)新一般具有前沿性、深奧性以及專業(yè)性等特點，對良好科學(xué)普及效果的展現(xiàn)提出了較高要求。傳統(tǒng)表現(xiàn)形式多以展板、靜態(tài)模型等陳列展示為主，輔以圖像和影音資料，或者是專家科學(xué)講座等形式，缺乏互動和體驗[3–5]。近年來，新興傳播和展示技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實 VR技術(shù)等也逐漸在科學(xué)普及領(lǐng)域發(fā)揮作用。但在高科技前沿、強專業(yè)性的科學(xué)技術(shù)主題表達方面，新興技術(shù)的引入還處于探索階段。以中國科學(xué)院廣州能源研究所(以下稱廣州能源所)能源科普為例，如何將前沿的自主研發(fā)的海島獨立可再生能源系統(tǒng)科研成果有效科普化，成為科普工作者的難題。本文將以3D異面投影融合技術(shù)成功引入海島獨立可再生能源系統(tǒng)科普展項的設(shè)計為例，為信息化支撐下的科研和科普融合設(shè)計實現(xiàn)提供參考。

1 海島獨立可再生能源系統(tǒng)內(nèi)容

偏遠海島缺乏電力，嚴重影響了海島經(jīng)濟的發(fā)展、海洋開發(fā)和海防能力。因此，解決海島能源供應(yīng)是國家重大戰(zhàn)略需求。全球能源結(jié)構(gòu)變革，為海洋能發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間，海洋強國、‘一帶一路’等國家戰(zhàn)略的提出，為海洋能發(fā)展和我國開展海洋能國際合作帶來了重要機遇。海洋能是一種蘊藏在海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能。近年來，隨著海洋強國戰(zhàn)略的深入推進，沿海及海島經(jīng)濟社會發(fā)展為海洋能發(fā)展提供了穩(wěn)定而廣泛的市場需求。

波浪發(fā)是利用一定的機械的裝置，捕獲波浪的能量，并轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)或過程。通過研究、探索波浪運動變化的規(guī)律，才能精確、及時地將波浪能“收集”起來，進而轉(zhuǎn)化為電能。在設(shè)計、研制波浪能發(fā)電裝置時，需要充分地將大面積的波浪能加以吸收并集中轉(zhuǎn)換成機械能，再帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。此外，在設(shè)計波浪能發(fā)電裝置時，需要充分考慮裝置的牢固性與抗沖擊性。波浪發(fā)電裝置依據(jù)不同分類依據(jù)可分為不同類型。按照發(fā)電裝置固定形式可分為沿岸式、近岸式和離岸式，按照能量傳遞方式可分為氣動式、液壓式和機械式，按結(jié)構(gòu)形式分可分為振蕩水柱式、擺式、振蕩浮子式、收縮波道式和閥式。

圖1 世界波浪能電廠分布Fig.1 Distribution of wave power plants worldwide

因為波浪能具有無污染和取之不竭用之不盡的可再生性，并且蘊藏量大，全世界利用波浪的設(shè)想數(shù)以千計，最早見于文字的波浪能裝置專利可追溯到1799年，是由法國吉拉德父子發(fā)明的利用波浪能的裝置[6]。在全世界范圍內(nèi)，英國作為傳統(tǒng)的海上強國，投入了大量的經(jīng)費與人力對波浪能進行研究。1985年，英國在蘇格蘭的艾萊島建造了一座75千瓦的震動水柱波浪能電站，1991年建成且并入當?shù)仉娋W(wǎng)。1995年8月，英國建造了第一座商業(yè)性波浪能電站，輸出功率為2000千瓦，可滿足 2000戶家庭的用電需求。2009年1月，葡萄牙建造的世界第一座商用波浪發(fā)電場首次亮相。通過3根140m 長的“紅色海蛇”，連接在葡萄牙北部海面海床處的圓柱型波浪能轉(zhuǎn)換器，然后通過海底電纜中轉(zhuǎn)站，最終注入電網(wǎng)。

波浪能作為可再生資源具有持續(xù)開發(fā)價值，是解決我國目前能源危機的重要資源，更是未來能源的主要依托。開發(fā)波浪能可以緩解石化能源的不足，對于促進沿海經(jīng)濟的發(fā)展和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保證能源可持續(xù)利用，以及開發(fā)海島、鞏固國防和保護生態(tài)環(huán)境，保障我國能源安全，緩解我國能源環(huán)境壓力，實現(xiàn)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的目標，有十分深遠的意義。

在國家 863計劃和中科院創(chuàng)新方向項目支持下，廣州能源所在“十五”期間研發(fā)了波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)，建成了波浪能獨立能源系統(tǒng)與制淡系統(tǒng)；“十一五”期間，該技術(shù)發(fā)展成海島可再生獨立能源系統(tǒng)，由90kW 風(fēng)機組、10kW 波浪能裝置、5kW太陽能發(fā)電裝置、440kVAh 蓄電池組、150kW 逆變器、能量管理和控制系統(tǒng)及日產(chǎn) 60t 海水淡化系統(tǒng)等組成，為海島提供電力和淡水。該系統(tǒng)采用自主研發(fā)技術(shù)，在系統(tǒng)優(yōu)化集成、抗臺風(fēng)、抗腐蝕、能量利用率等方面具有先進性和創(chuàng)新性；采用簡單的發(fā)電、蓄電、逆變、控制方法，直接為用戶供電，利用多余能量制造淡水，為解決海島能源和淡水問題提供一個成功范例。“十二五”期間，廣州能源所獲得國家海洋能專項 3000 萬元資金支持，在珠海市大萬山島建成一個由3個100kW 波浪能發(fā)電裝置和200kW 風(fēng)能發(fā)電裝置組成的海島多種能源互補的獨立電站，重點發(fā)展漂浮式鴨式波浪能發(fā)電裝置的建造、投放與運行維護等創(chuàng)新技術(shù)，開展了海洋能獨立發(fā)電技術(shù)示范。

在此基礎(chǔ)上，廣州能源所在自然資源部海洋可再生能源資金專項“南海兆瓦級波浪能示范工程建設(shè)”項目的支持下，聯(lián)合南方電網(wǎng)、招商局重工等單位在珠海市大萬山海域開展南海兆瓦級波浪能示范場的建設(shè)工作，旨在打造我國首個、亞洲領(lǐng)先、國際一流的波浪能示范場，計劃裝機 1MW，實現(xiàn)并網(wǎng)示范運行，完成電纜鋪設(shè)、電力系統(tǒng)等配套工程設(shè)施建設(shè)，開展環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)、運維保障系統(tǒng)等配套設(shè)施建設(shè)，提高我國波浪能發(fā)電裝備運行穩(wěn)定性及可靠性，提升工程示范效果，為示范工程開展長期運行提供支撐保障。示范場預(yù)留三個測試泊位，為國內(nèi)外各種波浪能發(fā)電樣機提供測試接口，開展波浪能裝置測試系統(tǒng)建設(shè)，開展相關(guān)裝備測試工作。示范場建設(shè)完成后，萬山島將成為我國對外集中展示波浪能技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用示范研究及并網(wǎng)運行的重要基地。

海島獨立可再生能源系統(tǒng)組成復(fù)雜、技術(shù)前沿，為了在有效的空間里將覆蓋范圍廣、涵蓋技術(shù)深的系統(tǒng)科普化表達和展示，并能夠讓公眾通過互動體驗形式感受先進海洋能技術(shù)發(fā)展，引入3D異面投影融合技術(shù)，對海島獨立可再生能源系統(tǒng)進行科普創(chuàng)作。

2 3D異面投影融合技術(shù)

投影展示手段已經(jīng)深入在我們的工作和生活，但日常使用的主要是二維顯示方式，主要為平面投影。真正的三維投影，也稱為真全息投影技術(shù)，目前大多出現(xiàn)在科幻電影或高端的光學(xué)實驗室里，目前處于探索和研究階段。而3D異面投影是一種由2D投影向3D投影過渡的一種投影手段，它屬于增強現(xiàn)實投影領(lǐng)域，是直接向真實物體表面進行投影，通過技術(shù)對圖像進行處理，使得投影影像與真實物體表面嚴格貼合，達到肉眼無法分辨出是真實物體具有的圖像還是被投影的光影，因此該投影技術(shù)也被稱為“光照皮膚投影”技術(shù)[7]。

整個投影系統(tǒng)包括虛擬場景部分與真實場景部分，通過技術(shù)實現(xiàn)虛擬場景與真實場景的匹配，這個匹配包括邊緣融合、虛擬場景中環(huán)境、物體紋理與真實場景環(huán)境、物體紋理等的貼合，實現(xiàn)更強的表現(xiàn)力。它主要是要依靠場景模擬以及光路可逆性原理實現(xiàn)由虛擬長江向現(xiàn)實場景投影動態(tài)效果。3D投影設(shè)備包括攝像機、投影機，它的投影內(nèi)容并不是單一的圖片而是來自虛擬場景中攝像機所拍攝的幀序列。而對場景中物體位置進行描述采用的坐標系，就是以攝像機位置為原點，以它的right，up，forward 三軸作為x，y，z 軸[5]。

圖2 南海兆瓦級波浪能示范場規(guī)劃圖Fig.2 Plane of megawatt wave-power generation at China South Sea plant

圖3 凝練的海島獨立可再生能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Framework of the compact island standalone renewable energy system

3D異面投影系統(tǒng)設(shè)計分為離線渲染和實時渲染。離線渲染是指通過拍攝真實場景景象，后期對所拍攝的資料進行處理，再將帶有后期效果的畫面投影回場景，完成真實場景與虛擬場景的匹配，產(chǎn)生增強型視覺效果。目前大多數(shù)都采用離線渲染方式，它的優(yōu)勢在于渲染質(zhì)量上乘，高度定制化帶來高質(zhì)量的展示效果，但同時也帶來了成本高、與公眾交互性低、對真實場景位置嚴格限制等問題。實時渲染能夠解決離線渲染的問題，但對技術(shù)開發(fā)、投影設(shè)備性能都提出了更高要求，目前還在研究探索階段。

3 海島獨立可再生能源系統(tǒng)科普展項設(shè)計

海島獨立可再生能源系統(tǒng)的3D異面投影技術(shù)融合表現(xiàn)，創(chuàng)新了基于離線渲染的3D異面投影表達方式。由于真實的海島獨立可再生能源系統(tǒng)場景恢弘，通過對系統(tǒng)進行架構(gòu)凝練，采用動畫模擬再現(xiàn)海島獨立可再生能源系統(tǒng)，形成3D異面投影系統(tǒng)中的虛擬場景。投影系統(tǒng)中的真實場景則用正方體沙池代替。攝像機和投影機都有視錐體，通過變換和比對，使得虛擬場景(海島獨立可再生能源系統(tǒng)動畫幀)能夠無縫投影到真實場景(沙池表面)。

圖4 深度感知設(shè)計中獲取數(shù)據(jù)Fig.4 Data generation through depth perception

圖5 景深圖像數(shù)據(jù)Fig.5 Depth-of-field image data

圖6 基于3D異面投影融合技術(shù)的海島獨立可再生能源系統(tǒng)科普展項Fig.6 Exhibition of the island standalone renewable energy system based on3Dfaceted projection fusion technologies

為了增強展項的交互性，在3D異面投影系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了深度感知設(shè)計技術(shù)。在展項頂部安裝有一個具備實時深度感知功能的感應(yīng)裝置，通過紅外攝像頭獲取圖像的紅外數(shù)據(jù)后，對其進行計算處理，然后產(chǎn)生實時景深影像數(shù)據(jù)，從而生成景深圖像，達到獲取沙池的高度和深度特征。通過真實地形的比值模擬，將不同高度和深度的地形地貌的影像投影在沙池中。不同高度和深度的地形圖像與沙面進行對應(yīng)匹配，從而形成具有立體感和真實感的三維圖像效果。隨著參與者堆砌或攤平沙池沙子，虛擬場景產(chǎn)生變換，依據(jù)高程不同，完成海島、海水，以及海島上各能源系統(tǒng)的耦合畫面的變換，富有極強參與性、趣味性。

4 結(jié)語

高科技前沿的科研成果科普化是實現(xiàn)科技創(chuàng)新與科學(xué)普及兩翼齊展的重要手段之一。本文以中國科學(xué)院廣州能源研究所自主研發(fā)的海島獨立可再生能源系統(tǒng)科研成果有效科普化為例，介紹了3D異面投影融合技術(shù)引入海島獨立可再生能源系統(tǒng)科普展項設(shè)計案例，在案例實現(xiàn)過程中，通過深度感知設(shè)計引入解決了離線渲染的3D異面投影技術(shù)交互性低的弊端，為信息化支撐下的科研和科普融合設(shè)計實現(xiàn)提供有價值參考。