三维地形在气象影视节目中的应用

成海民

河北省气象科技服务中心，河北石家庄 050021

0 引言

电视是公众获取气象信息的最主要来源之一，充分利用媒体优势和资源优势，把气象信息真正融合到气象影视节目中，让公众在欣赏节目的同时获取所需的信息，是气象影视人永远的课题。实现气象影视节目由平面示意向三维写实的跨越，使气象影视节目以更加精确真实的内容、更加生动形象的视觉效果呈现给观众，将是气象影视节目创作从创意到实现的一次重大变革。要实现全三维气象影视节目创作，首先要实现云系、气流、雨雪、冰雹、泥石流等元素的三维立体化描述与实时显示，其次把这些元素落脚在三维地形上，让这种三维立体形式有意义。因此，把地形元素、三维图表、三维云系、粒子系统与三维地形的有机结合将直接关系到节目的整体效果。

1 地形元素

1.1 点状元素

地名、标识、天气符号、动画等视觉元素和三维地形共同组成了三维气象影视节目的基本环境。地名和标志性建筑等标识物是长期不变或少变的，通过地理信息系统得到这些信息后，以三维形式建成标识库，根据需要有选择的显示，并可以进行实时编辑、存储等操作。天气现象可通过两种方式创建素材库，一种是用三维天气符号来表示天气现象，现在的气象影视节目基本上都是采用这种方式，其特点是操作简单，已经在公众心目中形成固有的模式，但是当需要与三维地形配合时就明显存在缺憾；另一种是以三维地形为基础，模拟真实的天气现象，这种方式在模拟局地气象地质灾害时，具有无法比拟的优势，其特点是形象、直观、生动。

气象地质灾害、动画等元素有其随机性，可根据需要在三维地形上随机创建编辑。对于那些需要临时添加的点状元素，也可以通过现场编辑的方式在指定位置显示。

1.2 线状元素

高速公路、铁路等线型元素，必须和三维地形相关联才有价值。我们首先创建线路轮廓（3D Studio MAX 导出的Spline 或系统自行创建的Nuber），由线路空间轮廓计算每个点的Pos（x,y,z），通过World（x,y,z）空间变换，得到高度空间HeightWorld（x,y,z），通过世界空间到高度空间的投影，得到每个点的高度h，由于有几何变换误差的存在，渲染中会出现轮廓和地形交叉，造成画面的闪烁。解决闪烁的方法是根据点所在区域的起伏程度，插入一个高度误差，使得在地形凸起度大的区域轮廓有比较大的高度偏移。另外，为了在保证精度的前提下减少数据量，在轮廓创建过程中，地形凸起度较小的区域降低采样精度，而在地形凸起度较大的区域，用密集的采样值来提高轮廓的精度。

2 图文创作

实现预报结论、实况数据到气象图表的转化是气象影视节目可视化的基本要求，现有的气象影视节目经常会用到柱状图、饼状图、曲线等图表，但大部分都是二维形式的，没有和地理信息建立起关联。三维图表是和三维地形紧密结合的，通过读取数据或连接数据库自动生成柱状图、饼状图、曲线等三维图表。例如表现“石家庄的最高气温38 度”这样的信息，可以在三维地形上石家庄的位置，与地形垂直建立一个动态的三维柱状图，让其升高到38 度的位置后停止。这样的表现形式会更加直观、形象，还可以在画面中增加一些图块、线条等装饰物，使节目看起来更精致、更美观。

3 云图处理

云图是广大受众喜闻乐见的气象信息，大范围的云系分布与小区域的精细描述相结合，叠加在二维地形图上，这种动态的二维云图在表现天气系统的移动、发展、强弱变化等特征时是非常形象的，但如果需要模拟局地发生的气象地质灾害时就显得无能为力[1]。这时三维地形配合三维云系就具有独到的优势，将现有的二维云图转化为三维立体的动态云，并以三维地形为基准显示，对产生降水的云系，能够模拟真实的降水效果，并且产生降水的云系与三维地形上相应的降水区域相关联，对可能产生地质、气象灾害的地区能够精确显示到灾害地点。这就要求三维地形、三维云系、三维模拟的地质灾害作为一个整体能够实时漫游，保证空中架设的虚拟摄像机能够在任意高度、沿任意指定的运动路线、任意视角范围和任意观看角度浏览。

4 粒子系统

3D Studio MAX、After Effects等应用软件中的粒子系统在模拟自然现象、物理现象上具有得天独厚的优势，可以通过空间扭曲控制粒子的行为，增强物理现象的真实性，结合空间扭曲能对粒子流造成引力、阻挡、风力等仿真影响。它几乎可以模拟任何富于联想的三维效果，如烟云、火花、爆炸、暴风雪或者瀑布等[2]。但这些工具中的粒子参数都比较复杂，很难方便快捷的用于气象影视节目的实时创作。因此可以研发专门的粒子系统生成模块，并提供属性实时编辑工具，直接生成所需要的雨、雪、冰雹、泥石流等气象元素，用于气象影视节目的实时制作。

5 结论

三维气象影视节目的创作仍处在起步阶段，创作中会遇到许多难题，三维地形必须与云、雨、泥石流、地名、标识等视觉元素按一定的播出控制流程有机关联，因此既要考虑三维地形的精确高效渲染处理，还必须考虑诸多视觉元素的有机融合。同时画面作为电视表现内容的重要符号之一，必须具备具体、形象、生动、直观的特点，在气象专家看来非常简单基本的气象信息，公众可能会很费解，所以从公众的角度来讲，所有针对电视媒体的输出都应该形象、通俗、美观，符合大众的审美标准。此外，三维创作系统与传统的二维创作平台必须能够数据共享和结合使用，既实现了气象影视节目创作由二维平面向三维立体的成功跨越，又实现了两种创意思维与平台的平滑过渡。

[1]刘欧萱，等.气象信息可视化在电视节目中的应用初探.气 象影视技术论文集（六），2009.

[2]邱朱胜.粒子系统应用—雪花飞舞，eNet 论坛，2004.