三維地形在氣象影視節(jié)目中的應(yīng)用

成海民

河北省氣象科技服務(wù)中心，河北石家莊 050021

0 引言

電視是公眾獲取氣象信息的最主要來源之一，充分利用媒體優(yōu)勢和資源優(yōu)勢，把氣象信息真正融合到氣象影視節(jié)目中，讓公眾在欣賞節(jié)目的同時獲取所需的信息，是氣象影視人永遠的課題。實現(xiàn)氣象影視節(jié)目由平面示意向三維寫實的跨越，使氣象影視節(jié)目以更加精確真實的內(nèi)容、更加生動形象的視覺效果呈現(xiàn)給觀眾，將是氣象影視節(jié)目創(chuàng)作從創(chuàng)意到實現(xiàn)的一次重大變革。要實現(xiàn)全三維氣象影視節(jié)目創(chuàng)作，首先要實現(xiàn)云系、氣流、雨雪、冰雹、泥石流等元素的三維立體化描述與實時顯示，其次把這些元素落腳在三維地形上，讓這種三維立體形式有意義。因此，把地形元素、三維圖表、三維云系、粒子系統(tǒng)與三維地形的有機結(jié)合將直接關(guān)系到節(jié)目的整體效果。

1 地形元素

1.1 點狀元素

地名、標識、天氣符號、動畫等視覺元素和三維地形共同組成了三維氣象影視節(jié)目的基本環(huán)境。地名和標志性建筑等標識物是長期不變或少變的，通過地理信息系統(tǒng)得到這些信息后，以三維形式建成標識庫，根據(jù)需要有選擇的顯示，并可以進行實時編輯、存儲等操作。天氣現(xiàn)象可通過兩種方式創(chuàng)建素材庫，一種是用三維天氣符號來表示天氣現(xiàn)象，現(xiàn)在的氣象影視節(jié)目基本上都是采用這種方式，其特點是操作簡單，已經(jīng)在公眾心目中形成固有的模式，但是當需要與三維地形配合時就明顯存在缺憾；另一種是以三維地形為基礎(chǔ)，模擬真實的天氣現(xiàn)象，這種方式在模擬局地氣象地質(zhì)災(zāi)害時，具有無法比擬的優(yōu)勢，其特點是形象、直觀、生動。

氣象地質(zhì)災(zāi)害、動畫等元素有其隨機性，可根據(jù)需要在三維地形上隨機創(chuàng)建編輯。對于那些需要臨時添加的點狀元素，也可以通過現(xiàn)場編輯的方式在指定位置顯示。

1.2 線狀元素

高速公路、鐵路等線型元素，必須和三維地形相關(guān)聯(lián)才有價值。我們首先創(chuàng)建線路輪廓（3D Studio MAX 導(dǎo)出的Spline 或系統(tǒng)自行創(chuàng)建的Nuber），由線路空間輪廓計算每個點的Pos（x,y,z），通過World（x,y,z）空間變換，得到高度空間HeightWorld（x,y,z），通過世界空間到高度空間的投影，得到每個點的高度h，由于有幾何變換誤差的存在，渲染中會出現(xiàn)輪廓和地形交叉，造成畫面的閃爍。解決閃爍的方法是根據(jù)點所在區(qū)域的起伏程度，插入一個高度誤差，使得在地形凸起度大的區(qū)域輪廓有比較大的高度偏移。另外，為了在保證精度的前提下減少數(shù)據(jù)量，在輪廓創(chuàng)建過程中，地形凸起度較小的區(qū)域降低采樣精度，而在地形凸起度較大的區(qū)域，用密集的采樣值來提高輪廓的精度。

2 圖文創(chuàng)作

實現(xiàn)預(yù)報結(jié)論、實況數(shù)據(jù)到氣象圖表的轉(zhuǎn)化是氣象影視節(jié)目可視化的基本要求，現(xiàn)有的氣象影視節(jié)目經(jīng)常會用到柱狀圖、餅狀圖、曲線等圖表，但大部分都是二維形式的，沒有和地理信息建立起關(guān)聯(lián)。三維圖表是和三維地形緊密結(jié)合的，通過讀取數(shù)據(jù)或連接數(shù)據(jù)庫自動生成柱狀圖、餅狀圖、曲線等三維圖表。例如表現(xiàn)“石家莊的最高氣溫38 度”這樣的信息，可以在三維地形上石家莊的位置，與地形垂直建立一個動態(tài)的三維柱狀圖，讓其升高到38 度的位置后停止。這樣的表現(xiàn)形式會更加直觀、形象，還可以在畫面中增加一些圖塊、線條等裝飾物，使節(jié)目看起來更精致、更美觀。

3 云圖處理

云圖是廣大受眾喜聞樂見的氣象信息，大范圍的云系分布與小區(qū)域的精細描述相結(jié)合，疊加在二維地形圖上，這種動態(tài)的二維云圖在表現(xiàn)天氣系統(tǒng)的移動、發(fā)展、強弱變化等特征時是非常形象的，但如果需要模擬局地發(fā)生的氣象地質(zhì)災(zāi)害時就顯得無能為力[1]。這時三維地形配合三維云系就具有獨到的優(yōu)勢，將現(xiàn)有的二維云圖轉(zhuǎn)化為三維立體的動態(tài)云，并以三維地形為基準顯示，對產(chǎn)生降水的云系，能夠模擬真實的降水效果，并且產(chǎn)生降水的云系與三維地形上相應(yīng)的降水區(qū)域相關(guān)聯(lián)，對可能產(chǎn)生地質(zhì)、氣象災(zāi)害的地區(qū)能夠精確顯示到災(zāi)害地點。這就要求三維地形、三維云系、三維模擬的地質(zhì)災(zāi)害作為一個整體能夠?qū)崟r漫游，保證空中架設(shè)的虛擬攝像機能夠在任意高度、沿任意指定的運動路線、任意視角范圍和任意觀看角度瀏覽。

4 粒子系統(tǒng)

3D Studio MAX、After Effects等應(yīng)用軟件中的粒子系統(tǒng)在模擬自然現(xiàn)象、物理現(xiàn)象上具有得天獨厚的優(yōu)勢，可以通過空間扭曲控制粒子的行為，增強物理現(xiàn)象的真實性，結(jié)合空間扭曲能對粒子流造成引力、阻擋、風力等仿真影響。它幾乎可以模擬任何富于聯(lián)想的三維效果，如煙云、火花、爆炸、暴風雪或者瀑布等[2]。但這些工具中的粒子參數(shù)都比較復(fù)雜，很難方便快捷的用于氣象影視節(jié)目的實時創(chuàng)作。因此可以研發(fā)專門的粒子系統(tǒng)生成模塊，并提供屬性實時編輯工具，直接生成所需要的雨、雪、冰雹、泥石流等氣象元素，用于氣象影視節(jié)目的實時制作。

5 結(jié)論

三維氣象影視節(jié)目的創(chuàng)作仍處在起步階段，創(chuàng)作中會遇到許多難題，三維地形必須與云、雨、泥石流、地名、標識等視覺元素按一定的播出控制流程有機關(guān)聯(lián)，因此既要考慮三維地形的精確高效渲染處理，還必須考慮諸多視覺元素的有機融合。同時畫面作為電視表現(xiàn)內(nèi)容的重要符號之一，必須具備具體、形象、生動、直觀的特點，在氣象專家看來非常簡單基本的氣象信息，公眾可能會很費解，所以從公眾的角度來講，所有針對電視媒體的輸出都應(yīng)該形象、通俗、美觀，符合大眾的審美標準。此外，三維創(chuàng)作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的二維創(chuàng)作平臺必須能夠數(shù)據(jù)共享和結(jié)合使用，既實現(xiàn)了氣象影視節(jié)目創(chuàng)作由二維平面向三維立體的成功跨越，又實現(xiàn)了兩種創(chuàng)意思維與平臺的平滑過渡。

[1]劉歐萱，等.氣象信息可視化在電視節(jié)目中的應(yīng)用初探.氣 象影視技術(shù)論文集（六），2009.

[2]邱朱勝.粒子系統(tǒng)應(yīng)用—雪花飛舞，eNet 論壇，2004.