摘 要：天氣預(yù)報節(jié)目是服務(wù)行業(yè)最廣，人數(shù)最多的節(jié)目之一。但目前的天氣預(yù)報節(jié)目形式單一，數(shù)據(jù)圖表、詞匯枯燥呆板，專業(yè)術(shù)語過多。把視景仿真技術(shù)應(yīng)用于天氣預(yù)報的節(jié)目制作中，把枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成逼真的場景，使天氣預(yù)報節(jié)目更貼近人民生活，更好地服務(wù)于大眾。
關(guān)鍵詞：視景仿真；虛擬現(xiàn)實；天氣預(yù)報；可視化
文章編號： 中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Application of Scene Simulation in the weather forecast
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Abstract: Weather forecast is one of the most popular program. But the program is as dry as a chip because the format of it is simplex and there is a lot of chart and professional term. In this paper, we use scene simulation to realize the visualization of the weather and weather conditions. With the technology of scene simulation, the weather forecast will serve the people better.
Key words : scene simulation; virtual reality ; weather forecast; visualization
引言
天氣預(yù)報欄目是氣象部門向社會公眾和各行業(yè)提供氣象服務(wù)的主要窗口。它雖然每天只播放幾分鐘，但它的固有因素相對與其它欄目要多，在這樣短的時間內(nèi)表達(dá)大量的信息，且與觀眾的生活息息相關(guān)。
目前天氣預(yù)報節(jié)目存在一些不足，從電視廣播的角度來看，服務(wù)類節(jié)目應(yīng)當(dāng)遵循“尊重人民的知情權(quán)，滿足人民群眾不斷增長的信息和文化需求”這一原則。但在目前天氣預(yù)報節(jié)目中，首先節(jié)目稿件中專業(yè)術(shù)語過多，這些專業(yè)術(shù)語使觀眾對氣象節(jié)目不容易接受。其次節(jié)目形式單一，要把枯燥呆板的數(shù)據(jù)圖表、詞匯點化成會聲會色的故事時間困難的事情。
本文在充分研究天氣預(yù)報的制作過程及其特點的基礎(chǔ)上，探討運用視景仿真技術(shù)把氣象數(shù)據(jù)可視化，提供給觀眾的不僅是單調(diào)的數(shù)據(jù)或者模糊的詞語，而是形象逼真的場景，使天氣預(yù)報節(jié)目不僅是“需要看”，而且是“很好看”的節(jié)目，提高老百姓對天氣預(yù)報的滿意度。
1 關(guān)鍵技術(shù)
1.1 視景仿真
視景仿真是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最重要的表現(xiàn)形式，它綜合了計算機、圖形處理與生成、網(wǎng)絡(luò)通信等諸多高技術(shù)發(fā)展起來的，使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互
式仿真環(huán)境，實現(xiàn)了用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。視景仿真采用計算機圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真目的，構(gòu)造仿真對象的三維模型再現(xiàn)真實的環(huán)境，達(dá)到非常逼真的仿真效果。它包括仿真環(huán)境制作和仿真驅(qū)
動兩個部分。仿真環(huán)境制作包括：模型設(shè)計、場景構(gòu)造、紋理設(shè)計制作等，它要求構(gòu)造出逼真的三維模型和制作逼真的紋理和特效；仿真驅(qū)動包括：場景驅(qū)動、模型調(diào)動處理、分布交互、大地形處理等，他要求逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境，實時響應(yīng)交互操作等。
1.2天氣預(yù)報
天氣預(yù)報節(jié)目是一種特殊的傳播活動，它有著自身客觀、不以人意志為轉(zhuǎn)移的傳播內(nèi)容和科學(xué)的客觀規(guī)則。它有如下幾個制作步驟：首先要收集各地氣象站提供的如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)等各種氣象資料。這些資料被電傳到國家氣象中心,作為天氣預(yù)報員制作預(yù)報的“原材料”。其次，繪制天氣圖。氣象中心的超級計算機快速處理這些數(shù)量龐大的氣象數(shù)據(jù)，繪制成實況天氣圖，上面用專門的數(shù)字和符號反映同一時間各地的天氣情況。第三是分析天氣圖。要作出天氣形式的預(yù)報，如未來的是有風(fēng)，然后在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行具體的預(yù)報，如風(fēng)向和風(fēng)力等。第四利用計算機進(jìn)行數(shù)值預(yù)報。超級計算機按照一定的數(shù)學(xué)模型，嚴(yán)格、定量地計算出未來的天氣狀況。最后進(jìn)行天氣會商，在這個過程中，專家綜合其他各種預(yù)報方法和預(yù)報經(jīng)驗，確定未來的天氣狀況和各種氣象要素。
2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
本系統(tǒng)的主要目的是把天氣預(yù)報得出的天氣狀況和各種氣象要素可視化，使之成為大眾容易接受的信息。在實現(xiàn)上面，先建立仿真環(huán)境，再用天氣預(yù)報的結(jié)果數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真場景。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
2.1場景建模
為了給觀眾創(chuàng)建一個能使他們感受到身臨其境和沉浸其中的環(huán)境，必要條件之一就是根據(jù)需要能逼真地顯示出可觀世界的一切對象。例如，能顯示出山川河谷、花草樹木、車船橋梁、廣廈樓宇等對象的三維圖像。
首先是選擇仿真的地理范圍。地理范圍的選擇要根據(jù)預(yù)報區(qū)域大小來選擇，如果預(yù)報區(qū)域比較大，可以選擇區(qū)域中比較有代表性的地理環(huán)境進(jìn)行仿真，如果預(yù)報區(qū)域比較小，可以對整個區(qū)域進(jìn)行仿真建模。
其次是選擇強有力的三維建模軟件。這里選擇實時三維建模軟件MultiGen Creator進(jìn)行仿真建模。其性能優(yōu)越，系統(tǒng)可靠，穩(wěn)定性好。它主要考慮如何生成逼真的大面積地形、地貌等地理環(huán)境模型，以及如何提高建模的實時性。它體現(xiàn)了三維實時的精髓：具有超大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)庫，復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模型可以被分布式驅(qū)動，模型的實時渲染余興采用多種圖像格式，允許從多個三維視點觀看模型，可以經(jīng)濟高效地提取所有精確的數(shù)據(jù)等。
2.2 仿真驅(qū)動
仿真驅(qū)動利用天氣預(yù)報的氣象要素作為參數(shù)驅(qū)動三維場景。
首先選用IRIS Performer作為開發(fā)工具。它是SGI公司（Silicon Graphics Ins.）開發(fā)的一個可擴展的高性能實時三維視景開發(fā)軟件包，主要應(yīng)用于仿真可視化、娛樂、虛擬現(xiàn)實、視頻廣播以及計算機輔助設(shè)計等領(lǐng)域。
IRIS Performer將所要渲染的對象用樹形結(jié)構(gòu)組織，與MultiGen Creator中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)吻合。視景中最基本的元素是接點，Performer提供了許多節(jié)點類型的同時，使用了類繼承的概念。一個場景圖包含定義一個虛擬世界的數(shù)據(jù)，場景圖中的數(shù)據(jù)被封裝為不同種類的節(jié)點。IRIS Performer中的節(jié)點類型包括pfGroup，pfScene，pfDCS，pfSwitch，pfSequence，pfLOD，pfGeode，pfBillBoard，pfLightSource等。它們都是pfNode的子類。PfNode是一個基本的節(jié)點類，所有的節(jié)點都繼承它的屬性。同時pfNode又是一個抽象類，它的目的是為節(jié)點類型的層次結(jié)構(gòu)提供一個根，并定義所有節(jié)點共有的屬性和操作。
其次是氣象要素可視化。氣象要素包括氣溫、降水、風(fēng)、日照等，這些要素均能在三維仿真環(huán)境體現(xiàn)出來。
（1）氣溫 即大氣的溫度,表示大氣冷熱程度的量。在仿真環(huán)境中，雖然不能夠直接對氣溫進(jìn)行表示， 但是可以通過間接的方式進(jìn)行描述。例如氣溫可以用環(huán)境中人物的服飾的來體現(xiàn)。
（2）降水 指從云中降落的液態(tài)水和固態(tài)水，如雨、雪、冰雹等。該要素在三維仿真環(huán)境中可以直接用粒子系統(tǒng)進(jìn)行描述。粒子系統(tǒng)是迄今為止被認(rèn)為模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的一種圖形生成算法，它采用一種統(tǒng)一的模式來生成諸如云、煙、火等具有變化形狀的自然景物。在粒子系統(tǒng)中，景物被定義為成千上萬個不規(guī)則的、隨機分布的粒子所組成，而每個粒子都被賦予一定的生命周期，該造型方式使得使用它來模擬雨、雪、冰雹等氣象要素成為可能。
（3）風(fēng) 空氣相對于地面的運動。氣象上常指空氣的水平運動,并用風(fēng)向、風(fēng)速來表示。風(fēng)向和風(fēng)速在三維場景中只能用間接的方式來體現(xiàn)。比如風(fēng)向和風(fēng)速可以用場景中樹木、旗幟等對象的運動狀態(tài)來描述。
（4）日照 表示太陽照射時間的量。在三維場景中，日照通過燈光的設(shè)置直接進(jìn)行描述。在Performer中，有光源節(jié)點來實現(xiàn)光照效果，光源節(jié)點的主要任務(wù)是表示視景圖像中的一個圖形庫光源。對視景圖像施加的變換會改變光源的位置和方向。將全局光源模型與對象的材料屬性相結(jié)合，幾何流水線在幾何圖形的頂點處計算光照。
3 結(jié)論
本文把視景仿真技術(shù)應(yīng)用于天氣預(yù)報中，對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，把傳統(tǒng)的通過聽覺獲取氣象信息轉(zhuǎn)化為通過視覺獲取，“百聞不如一見”就是一個非常形象的說法。老百姓通過觀看氣象節(jié)目，對未來的天氣情況有著直觀形象的感覺，而不僅僅停留在“情到多云”、“氣溫15~到
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作者簡介：陳國棟（1979~），男，福建省泉州人，博士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實；
