虚拟演播室技术在气象预报节目中的科学运用

金晨路，王 淞，开 丽，韩照全，何 婧

（南京市气象局，江苏 南京 210019）

0 引言

作为一种新型的电视节目制作工具，虚拟演播室技术对比传统的色键抠像技术，为天气预报节目制作带来了更多便利。它结合了计算机三维图形技术与视频合成技术，以摄像机的位置及参数，将三维虚拟场景的透视技术、与前景保持一致，再通过色键合成，打造了主持人与三维虚拟场景巧妙融合的视觉感观。这样的视觉呈现，让观众感到更加逼真、更有立体感，体验感更佳；与此同时，节目细腻、形象、逼真的效果，获得了业内专家的一致好评。虚拟演播室技术目前仍然不断地发展和探索阶段，我们通过大胆的实践和尝试，将此项技术运用于南京市气象服务中心标点气象节目当中，通过主持人的互动讲解，为观众解读天气变化，实现了动态、直观的高仿真场景设计效果。

1 虚拟演播室技术分析

1.1 建模技巧

建立虚拟电视天气预报演播室的三维场景，是虚拟天气预报节目当中的基础工作，也是极其重要的一项工作。观众所看到的虚拟演播室中的背景图像，大多是通过计算机技术所创作的二维或三维图形，也就是我们所说的虚拟场景。现阶段，我们可以用到的三维建模及动画软件有很多，诸如3DMax、Maya、Softimage等，都是比较常用的。随着科学技术和计算机技术的快速发展，三维模型的绘制成果愈加形象逼真，这为虚拟天气预报节目效果的呈现带来了更多精彩之处。但是，由于节目中的一些模型及动画的实时动态需要，建模过程中需要注意以下几点：

（1）三维动画的动态效果对于构成模型的三角形数量具有限制性，一般情况下，按照工作站计算能力估算，数量大约在5000到20000的区间之内，数量不等。因此，在制作时需要尽量保持模型的简化构造原则。

（2）一般情况下，模型中最好不要设置过多的灯光，但精致逼真的模型往往又要依靠灯光的数量提升效果。这一矛盾点，需要在建模之后，利用Lightscape等软件，将灯光参数形成贴图，以此来提升实时运行速度。

1.2 虚拟影子的制作

三维模型避震效果的形成，绝大部分原因是它可以对实物光影进行仿真，从而加强模型及动画的立体感。在建模过程中，需要使光的方向保持一致，模仿实物的真实影子效果进行设计。而前景主持人在演播室进行录制时，很可能因为大理石地板的反射原理，在地面形成倒影，如果虚拟演播室的整体虚拟背景能够与此倒影相契合，则可将倒影融入到整体画面当中。建模时，可以让前景主持人在事先准备好的场景中行动，只要其倒影投射在蓝箱内具有反光效果的透明塑料布上，就可以形成制作背景的倒影。此种方法程序简化、方便实用，效果也十分逼真。

1.3 自动反馈／标志系统

在电视天气预报节目当中，主持人在对观众介绍天气的时候，经常设计出了虚拟模型围绕人物运动的效果，或是在主持人在虚拟布景中行走时、穿过虚拟物体。为了避免这些运动出现穿帮现象，主持人需要注视返送监视器中的效果，对自身的动作进行调整，在行走时需要走在地板上事先画好的路线上。一般来说，虚拟系统的视频多会出现延时情况，所以难以从根本上解决这一问题。因此，自动反馈／标志系统应运而生。这种系统可以让主持人明确虚拟物体的实时位置，但是所反映出的也会对主持人的影子造成一定的干扰性，因此，此系统很少在实际应用中出现。

1.4 虚拟动画人物表演

为了增加虚拟天气预报中的节目效果，一般还会在节目中加入一些动画人物表演。一些节目中会借用计算机技术，在真人的关键部位安装传感器，并通过数据传感、控制虚拟动画人物的肢体动作，让其模仿真实人物的表演，形成动画人物与主持人互动的效果。也有一些节目为了在讲解天气状况时，为了丰富讲解内容，让观众更加深入地了解到该天气内是否适宜运动、出行等，会将动态的卡通人物直接运用到画面当中，为观众演示动画情境。无论采用哪一种方式，都将为虚拟天气预报节目增强更多新奇感，从而获得更多观众的喜爱。

2 南京市气象服务中心《标点气象》中对虚拟演播室的创新应用

2019年入夏以来，夏季影响南京的重要天气气候事件主要有台风、暴雨、高温和强对流。其中高温最为抢眼，2019年夏季南京全市高温日数为14（六合）～24（高淳）天，较常年平均偏多2（六合）～7（浦口）天。高温时段主要集中在7月下旬、8月上旬和下旬前期。随着融媒体时代的到来，普通的抠像技术场景呆板，画面缺乏层次感，难以满足受众的审美需求。于是，我们大胆尝试，采用虚拟演播室技术，将枯燥乏味的气象数据，生动直观的展示于观众，实现自动景深、半透明前景物体，凹凸纹理贴图等高仿真场景设计，将人们带回到那个超长待机的夏天中，画面逼真、形象、细腻，受到观众和业内专家的一致好评。

2.1 景别的创新运用

虚拟的三维空间方便演播室背景景别的快速更换，在南京市气象服务中心标点气象节目中，主持人从画外走入镜头，并利用动作指引、推动虚拟天气动画的运动，作为节目的开场，使得整体景别效果更加新奇，引起观众继续看下去的兴趣。此外，在节目当中，大背景由“演播室内”的场景切换到“室外草地”，并利用转动的风车、人物的动态效果，这种灵活多变的景别切换，取代了传统天气预报节目的单一性，让节目内容更加饱满、生动，而且更具趣味化。节目最后，介绍明日天气的时候，又将画面切到半身机位，这样一个远近大小的变化，可以有效防止观众的审美疲劳，带来不断变化的新鲜的视觉感受。

2.2 主持人与动画互动

虚拟演播技术，相比于普通的抠像技术，最大的优势在于前景的运用。主持人在讲解天气时，不用刻板地保持同一站位或同一姿势，而是可以用手势和动作与三维动画特效进行互动，通过动作指示以及行走，令节目的整体效果摆脱了刻板和枯燥。而三维动画的加持，比如转动的风车、缩放的数字等，无不是对观众视觉的挑逗。

2.3 虚实结合，虚拟植入

在实景演播室中，可以通过植入虚拟物体，并凭借摄像机的跟踪技术，打造虚实结合的演播效果，从而弥补实景演播室在实物展示方面的局限性。《标点气象》节目当中，具有足够大的应用空间，将城市轮廓地图、气温变化柱状图等虚拟动画加入到留白空间，生动形象地演示了当地的天气情况，更方便观众根据所了解到的这些变化情况安排日常活动，兼顾了虚拟天气预报节目的美观性和实用性。

2.4 通过模拟动画直观展示天气情况

该档节目对于天气信息的介绍全面详尽，不仅通过室外骄阳似火的太阳给人一种置身于炎炎夏日的体验感，同时利用多种动态前景对气象数据进行细致的描述和演示，让观众有了更加准确的参照，大大增加了天气预报节目的可看性，体高了公众气象服务能力。节目中在介绍浦口和六合地区高温情况时，用了动态环状图，直观地对2019年高温的情况和常年同期做的对比，画面简洁明了（图1）。在介绍高淳地区高温情况时，用了三种不同的呈现形式，比如用了三维立体地图动态呈现高淳地区所处的方位和高温日数，（图2），还利用大屏展示高淳日最高气温曲线变化图（图3），以及利用动态曲面透明显示牌突出8月5日到11日的连续高温天气，连续的视觉冲击，让观众一目了然，印象深刻。如果主持人需要向观众介绍暴雨、风一类的天气情况，完全可以借助模拟动画，演示出恶劣天气出行的危险性，让观众们对此提高警惕、增加安全意识，尽量减少出行安排。

3 结束语

现阶段，我国的虚拟演播室技术已经小有成就，并且伴随着科学技术的发展和创新，虚拟演播室技术已经涉及到了除电视节目与气象节目之外的更多领域。各领域人士通过不断的探索和尝试，逐渐发掘虚拟演播室的利用价值，取代传统演播室的不足之处，为观众带来更加精美、逼真、新奇的视觉感受。气象预报节目需要迎合当今社会大众的审美需求，结合自身的实际情况，对节目效果进行进一步的优化和改良，促进气象影视行业的发展。