三維地形在氣象影視節目中的應用

成海民

河北省氣象科技服務中心，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，充分利用媒體優勢和資源優勢，把氣象信息真正融合到氣象影視節目中，讓公眾在欣賞節目的同時獲取所需的信息，是氣象影視人永遠的課題。實現氣象影視節目由平面示意向三維寫實的跨越，使氣象影視節目以更加精確真實的內容、更加生動形象的視覺效果呈現給觀眾，將是氣象影視節目創作從創意到實現的一次重大變革。要實現全三維氣象影視節目創作，首先要實現云系、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、粒子系統與三維地形的有機結合將直接關系到節目的整體效果。

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目的基本環境。地名和標志性建筑等標識物是長期不變或少變的，通過地理信息系統得到這些信息后，以三維形式建成標識庫，根據需要有選擇的顯示，并可以進行實時編輯、存儲等操作。天氣現象可通過兩種方式創建素材庫，一種是用三維天氣符號來表示天氣現象，現在的氣象影視節目基本上都是采用這種方式，其特點是操作簡單，已經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，模擬真實的天氣現象，這種方式在模擬局地氣象地質災害時，具有無法比擬的優勢，其特點是形象、直觀、生動。

氣象地質災害、動畫等元素有其隨機性，可根據需要在三維地形上隨機創建編輯。對于那些需要臨時添加的點狀元素，也可以通過現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聯才有價值。我們首先創建線路輪廓（3D Studio MAX 導出的Spline 或系統自行創建的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，渲染中會出現輪廓和地形交叉，造成畫面的閃爍。解決閃爍的方法是根據點所在區域的起伏程度，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據量，在輪廓創建過程中，地形凸起度較小的區域降低采樣精度，而在地形凸起度較大的區域，用密集的采樣值來提高輪廓的精度。

2 圖文創作

實現預報結論、實況數據到氣象圖表的轉化是氣象影視節目可視化的基本要求，現有的氣象影視節目經常會用到柱狀圖、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聯。三維圖表是和三維地形緊密結合的，通過讀取數據或連接數據庫自動生成柱狀圖、餅狀圖、曲線等三維圖表。例如表現“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的三維柱狀圖，讓其升高到38 度的位置后停止。這樣的表現形式會更加直觀、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域的精細描述相結合，疊加在二維地形圖上，這種動態的二維云圖在表現天氣系統的移動、發展、強弱變化等特征時是非常形象的，但如果需要模擬局地發生的氣象地質災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勢，將現有的二維云圖轉化為三維立體的動態云，并以三維地形為基準顯示，對產生降水的云系，能夠模擬真實的降水效果，并且產生降水的云系與三維地形上相應的降水區域相關聯，對可能產生地質、氣象災害的地區能夠精確顯示到災害地點。這就要求三維地形、三維云系、三維模擬的地質災害作為一個整體能夠實時漫游，保證空中架設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

3D Studio MAX、After Effects等應用軟件中的粒子系統在模擬自然現象、物理現象上具有得天獨厚的優勢，可以通過空間扭曲控制粒子的行為，增強物理現象的真實性，結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都比較復雜，很難方便快捷的用于氣象影視節目的實時創作。因此可以研發專門的粒子系統生成模塊，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，用于氣象影視節目的實時制作。

5 結論

三維氣象影視節目的創作仍處在起步階段，創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聯，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內容的重要符號之一，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該形象、通俗、美觀，符合大眾的審美標準。此外，三維創作系統與傳統的二維創作平臺必須能夠數據共享和結合使用，既實現了氣象影視節目創作由二維平面向三維立體的成功跨越，又實現了兩種創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目中的應用初探.氣 象影視技術論文集（六），2009.

[2]邱朱勝.粒子系統應用—雪花飛舞，eNet 論壇，2004.