基于3D异面投影融合技术的海岛独立可再生能源系统科普展项设计

徐超，李靖君，向银花，王振鹏，吝红军，王坤林

中国科学院广州能源研究所 ，广东 广州 510640

引言

2016年，习近平总书记在“全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会”上指出：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。没有全民科学素质普遍提高，就难以建立起宏大的高素质创新大军，难以实现科技成果快速转化。”[1]。习近平总书记的这段重要讲话对于科学普及事业具有重大的意义，发达国家先进的经验表明，社会进步的内在动力包括科技的进步与普及[2]。虽然近年来，我国公民的科学素质提升明显，但与发达国家相比还存在较大差距。同时，科普工作者也亟需创新科普理念、丰富科普展示形式来满足前沿科学知识通俗化表达需求以及公众更深层次的体验式理解需求。

科学普及的核心是科技创新，由于科技创新一般具有前沿性、深奥性以及专业性等特点，对良好科学普及效果的展现提出了较高要求。传统表现形式多以展板、静态模型等陈列展示为主，辅以图像和影音资料，或者是专家科学讲座等形式，缺乏互动和体验[3–5]。近年来，新兴传播和展示技术，如虚拟现实 VR技术等也逐渐在科学普及领域发挥作用。但在高科技前沿、强专业性的科学技术主题表达方面，新兴技术的引入还处于探索阶段。以中国科学院广州能源研究所(以下称广州能源所)能源科普为例，如何将前沿的自主研发的海岛独立可再生能源系统科研成果有效科普化，成为科普工作者的难题。本文将以3D异面投影融合技术成功引入海岛独立可再生能源系统科普展项的设计为例，为信息化支撑下的科研和科普融合设计实现提供参考。

1 海岛独立可再生能源系统内容

偏远海岛缺乏电力，严重影响了海岛经济的发展、海洋开发和海防能力。因此，解决海岛能源供应是国家重大战略需求。全球能源结构变革，为海洋能发展提供了广阔的发展空间，海洋强国、‘一带一路’等国家战略的提出，为海洋能发展和我国开展海洋能国际合作带来了重要机遇。海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能。近年来，随着海洋强国战略的深入推进，沿海及海岛经济社会发展为海洋能发展提供了稳定而广泛的市场需求。

波浪发是利用一定的机械的装置，捕获波浪的能量，并转换成电能的系统或过程。通过研究、探索波浪运动变化的规律，才能精确、及时地将波浪能“收集”起来，进而转化为电能。在设计、研制波浪能发电装置时，需要充分地将大面积的波浪能加以吸收并集中转换成机械能，再带动发电机转化为电能。此外，在设计波浪能发电装置时，需要充分考虑装置的牢固性与抗冲击性。波浪发电装置依据不同分类依据可分为不同类型。按照发电装置固定形式可分为沿岸式、近岸式和离岸式，按照能量传递方式可分为气动式、液压式和机械式，按结构形式分可分为振荡水柱式、摆式、振荡浮子式、收缩波道式和阀式。

图1 世界波浪能电厂分布Fig.1 Distribution of wave power plants worldwide

因为波浪能具有无污染和取之不竭用之不尽的可再生性，并且蕴藏量大，全世界利用波浪的设想数以千计，最早见于文字的波浪能装置专利可追溯到1799年，是由法国吉拉德父子发明的利用波浪能的装置[6]。在全世界范围内，英国作为传统的海上强国，投入了大量的经费与人力对波浪能进行研究。1985年，英国在苏格兰的艾莱岛建造了一座75千瓦的震动水柱波浪能电站，1991年建成且并入当地电网。1995年8月，英国建造了第一座商业性波浪能电站，输出功率为2000千瓦，可满足 2000户家庭的用电需求。2009年1月，葡萄牙建造的世界第一座商用波浪发电场首次亮相。通过3根140m 长的“红色海蛇”，连接在葡萄牙北部海面海床处的圆柱型波浪能转换器，然后通过海底电缆中转站，最终注入电网。

波浪能作为可再生资源具有持续开发价值，是解决我国目前能源危机的重要资源，更是未来能源的主要依托。开发波浪能可以缓解石化能源的不足，对于促进沿海经济的发展和优化能源结构，保证能源可持续利用，以及开发海岛、巩固国防和保护生态环境，保障我国能源安全，缓解我国能源环境压力，实现建设资源节约型和环境友好型社会的目标，有十分深远的意义。

在国家 863计划和中科院创新方向项目支持下，广州能源所在“十五”期间研发了波浪能独立稳定发电技术，建成了波浪能独立能源系统与制淡系统；“十一五”期间，该技术发展成海岛可再生独立能源系统，由90kW 风机组、10kW 波浪能装置、5kW太阳能发电装置、440kVAh 蓄电池组、150kW 逆变器、能量管理和控制系统及日产 60t 海水淡化系统等组成，为海岛提供电力和淡水。该系统采用自主研发技术，在系统优化集成、抗台风、抗腐蚀、能量利用率等方面具有先进性和创新性；采用简单的发电、蓄电、逆变、控制方法，直接为用户供电，利用多余能量制造淡水，为解决海岛能源和淡水问题提供一个成功范例。“十二五”期间，广州能源所获得国家海洋能专项 3000 万元资金支持，在珠海市大万山岛建成一个由3个100kW 波浪能发电装置和200kW 风能发电装置组成的海岛多种能源互补的独立电站，重点发展漂浮式鸭式波浪能发电装置的建造、投放与运行维护等创新技术，开展了海洋能独立发电技术示范。

在此基础上，广州能源所在自然资源部海洋可再生能源资金专项“南海兆瓦级波浪能示范工程建设”项目的支持下，联合南方电网、招商局重工等单位在珠海市大万山海域开展南海兆瓦级波浪能示范场的建设工作，旨在打造我国首个、亚洲领先、国际一流的波浪能示范场，计划装机 1MW，实现并网示范运行，完成电缆铺设、电力系统等配套工程设施建设，开展环境监测、数据服务系统、运维保障系统等配套设施建设，提高我国波浪能发电装备运行稳定性及可靠性，提升工程示范效果，为示范工程开展长期运行提供支撑保障。示范场预留三个测试泊位，为国内外各种波浪能发电样机提供测试接口，开展波浪能装置测试系统建设，开展相关装备测试工作。示范场建设完成后，万山岛将成为我国对外集中展示波浪能技术开发、应用示范研究及并网运行的重要基地。

海岛独立可再生能源系统组成复杂、技术前沿，为了在有效的空间里将覆盖范围广、涵盖技术深的系统科普化表达和展示，并能够让公众通过互动体验形式感受先进海洋能技术发展，引入3D异面投影融合技术，对海岛独立可再生能源系统进行科普创作。

2 3D异面投影融合技术

投影展示手段已经深入在我们的工作和生活，但日常使用的主要是二维显示方式，主要为平面投影。真正的三维投影，也称为真全息投影技术，目前大多出现在科幻电影或高端的光学实验室里，目前处于探索和研究阶段。而3D异面投影是一种由2D投影向3D投影过渡的一种投影手段，它属于增强现实投影领域，是直接向真实物体表面进行投影，通过技术对图像进行处理，使得投影影像与真实物体表面严格贴合，达到肉眼无法分辨出是真实物体具有的图像还是被投影的光影，因此该投影技术也被称为“光照皮肤投影”技术[7]。

整个投影系统包括虚拟场景部分与真实场景部分，通过技术实现虚拟场景与真实场景的匹配，这个匹配包括边缘融合、虚拟场景中环境、物体纹理与真实场景环境、物体纹理等的贴合，实现更强的表现力。它主要是要依靠场景模拟以及光路可逆性原理实现由虚拟长江向现实场景投影动态效果。3D投影设备包括摄像机、投影机，它的投影内容并不是单一的图片而是来自虚拟场景中摄像机所拍摄的帧序列。而对场景中物体位置进行描述采用的坐标系，就是以摄像机位置为原点，以它的right，up，forward 三轴作为x，y，z 轴[5]。

图2 南海兆瓦级波浪能示范场规划图Fig.2 Plane of megawatt wave-power generation at China South Sea plant

图3 凝练的海岛独立可再生能源系统架构Fig.3 Framework of the compact island standalone renewable energy system

3D异面投影系统设计分为离线渲染和实时渲染。离线渲染是指通过拍摄真实场景景象，后期对所拍摄的资料进行处理，再将带有后期效果的画面投影回场景，完成真实场景与虚拟场景的匹配，产生增强型视觉效果。目前大多数都采用离线渲染方式，它的优势在于渲染质量上乘，高度定制化带来高质量的展示效果，但同时也带来了成本高、与公众交互性低、对真实场景位置严格限制等问题。实时渲染能够解决离线渲染的问题，但对技术开发、投影设备性能都提出了更高要求，目前还在研究探索阶段。

3 海岛独立可再生能源系统科普展项设计

海岛独立可再生能源系统的3D异面投影技术融合表现，创新了基于离线渲染的3D异面投影表达方式。由于真实的海岛独立可再生能源系统场景恢弘，通过对系统进行架构凝练，采用动画模拟再现海岛独立可再生能源系统，形成3D异面投影系统中的虚拟场景。投影系统中的真实场景则用正方体沙池代替。摄像机和投影机都有视锥体，通过变换和比对，使得虚拟场景(海岛独立可再生能源系统动画帧)能够无缝投影到真实场景(沙池表面)。

图4 深度感知设计中获取数据Fig.4 Data generation through depth perception

图5 景深图像数据Fig.5 Depth-of-field image data

图6 基于3D异面投影融合技术的海岛独立可再生能源系统科普展项Fig.6 Exhibition of the island standalone renewable energy system based on3Dfaceted projection fusion technologies

为了增强展项的交互性，在3D异面投影系统基础上，引入了深度感知设计技术。在展项顶部安装有一个具备实时深度感知功能的感应装置，通过红外摄像头获取图像的红外数据后，对其进行计算处理，然后产生实时景深影像数据，从而生成景深图像，达到获取沙池的高度和深度特征。通过真实地形的比值模拟，将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图像与沙面进行对应匹配，从而形成具有立体感和真实感的三维图像效果。随着参与者堆砌或摊平沙池沙子，虚拟场景产生变换，依据高程不同，完成海岛、海水，以及海岛上各能源系统的耦合画面的变换，富有极强参与性、趣味性。

4 结语

高科技前沿的科研成果科普化是实现科技创新与科学普及两翼齐展的重要手段之一。本文以中国科学院广州能源研究所自主研发的海岛独立可再生能源系统科研成果有效科普化为例，介绍了3D异面投影融合技术引入海岛独立可再生能源系统科普展项设计案例，在案例实现过程中，通过深度感知设计引入解决了离线渲染的3D异面投影技术交互性低的弊端，为信息化支撑下的科研和科普融合设计实现提供有价值参考。