摘 要：天氣預(yù)報(bào)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(bào)節(jié)目形式單一，數(shù)據(jù)圖表、詞匯枯燥呆板，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)過(guò)多。把視景仿真技術(shù)應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)的節(jié)目制作中，把枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成逼真的場(chǎng)景，使天氣預(yù)報(bào)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(shí)；天氣預(yù)報(bào)；可視化
文章編號(hào)： 中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Application of Scene Simulation in the weather forecast
(
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(bào)欄目是氣象部門(mén)向社會(huì)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(duì)與其它欄目要多，在這樣短的時(shí)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(bào)節(jié)目存在一些不足，從電視廣播的角度來(lái)看，服務(wù)類(lèi)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(zhǎng)的信息和文化需求”這一原則。但在目前天氣預(yù)報(bào)節(jié)目中，首先節(jié)目稿件中專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)過(guò)多，這些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)使觀眾對(duì)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(diǎn)化成會(huì)聲會(huì)色的故事時(shí)間困難的事情。
本文在充分研究天氣預(yù)報(bào)的制作過(guò)程及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討運(yùn)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(yǔ)，而是形象逼真的場(chǎng)景，使天氣預(yù)報(bào)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(duì)天氣預(yù)報(bào)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(shí)技術(shù)的最重要的表現(xiàn)形式，它綜合了計(jì)算機(jī)、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(lái)的，使用戶(hù)產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互
式仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。視景仿真采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真目的，構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型再現(xiàn)真實(shí)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(dòng)兩個(gè)部分。仿真環(huán)境制作包括：模型設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)造、紋理設(shè)計(jì)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(dòng)包括：場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)、模型調(diào)動(dòng)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(shí)時(shí)響應(yīng)交互操作等。
1.2天氣預(yù)報(bào)
天氣預(yù)報(bào)節(jié)目是一種特殊的傳播活動(dòng)，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(gè)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(guó)家氣象中心,作為天氣預(yù)報(bào)員制作預(yù)報(bào)的“原材料”。其次，繪制天氣圖。氣象中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)快速處理這些數(shù)量龐大的氣象數(shù)據(jù)，繪制成實(shí)況天氣圖，上面用專(zhuān)門(mén)的數(shù)字和符號(hào)反映同一時(shí)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(bào)，如未來(lái)的是有風(fēng)，然后在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行具體的預(yù)報(bào)，如風(fēng)向和風(fēng)力等。第四利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。超級(jí)計(jì)算機(jī)按照一定的數(shù)學(xué)模型，嚴(yán)格、定量地計(jì)算出未來(lái)的天氣狀況。最后進(jìn)行天氣會(huì)商，在這個(gè)過(guò)程中，專(zhuān)家綜合其他各種預(yù)報(bào)方法和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，確定未來(lái)的天氣狀況和各種氣象要素。
2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)的主要目的是把天氣預(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)上面，先建立仿真環(huán)境，再用天氣預(yù)報(bào)的結(jié)果數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真場(chǎng)景。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
2.1場(chǎng)景建模
為了給觀眾創(chuàng)建一個(gè)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(duì)象。例如，能顯示出山川河谷、花草樹(shù)木、車(chē)船橋梁、廣廈樓宇等對(duì)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(bào)區(qū)域大小來(lái)選擇，如果預(yù)報(bào)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(bào)區(qū)域比較小，可以對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行仿真建模。
其次是選擇強(qiáng)有力的三維建模軟件。這里選擇實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性。它體現(xiàn)了三維實(shí)時(shí)的精髓：具有超大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)庫(kù)，復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模型可以被分布式驅(qū)動(dòng)，模型的實(shí)時(shí)渲染余興采用多種圖像格式，允許從多個(gè)三維視點(diǎn)觀看模型，可以經(jīng)濟(jì)高效地提取所有精確的數(shù)據(jù)等。
2.2 仿真驅(qū)動(dòng)
仿真驅(qū)動(dòng)利用天氣預(yù)報(bào)的氣象要素作為參數(shù)驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景。
首先選用IRIS Performer作為開(kāi)發(fā)工具。它是SGI公司（Silicon Graphics Ins.）開(kāi)發(fā)的一個(gè)可擴(kuò)展的高性能實(shí)時(shí)三維視景開(kāi)發(fā)軟件包，主要應(yīng)用于仿真可視化、娛樂(lè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、視頻廣播以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
IRIS Performer將所要渲染的對(duì)象用樹(shù)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(diǎn)，Performer提供了許多節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的同時(shí)，使用了類(lèi)繼承的概念。一個(gè)場(chǎng)景圖包含定義一個(gè)虛擬世界的數(shù)據(jù)，場(chǎng)景圖中的數(shù)據(jù)被封裝為不同種類(lèi)的節(jié)點(diǎn)。IRIS Performer中的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型包括pfGroup，pfScene，pfDCS，pfSwitch，pfSequence，pfLOD，pfGeode，pfBillBoard，pfLightSource等。它們都是pfNode的子類(lèi)。PfNode是一個(gè)基本的節(jié)點(diǎn)類(lèi)，所有的節(jié)點(diǎn)都繼承它的屬性。同時(shí)pfNode又是一個(gè)抽象類(lèi)，它的目的是為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的層次結(jié)構(gòu)提供一個(gè)根，并定義所有節(jié)點(diǎn)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(lái)。
（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(duì)氣溫進(jìn)行表示， 但是可以通過(guò)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(lái)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(lái)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(wàn)個(gè)不規(guī)則的、隨機(jī)分布的粒子所組成，而每個(gè)粒子都被賦予一定的生命周期，該造型方式使得使用它來(lái)模擬雨、雪、冰雹等氣象要素成為可能。
（3）風(fēng) 空氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。氣象上常指空氣的水平運(yùn)動(dòng),并用風(fēng)向、風(fēng)速來(lái)表示。風(fēng)向和風(fēng)速在三維場(chǎng)景中只能用間接的方式來(lái)體現(xiàn)。比如風(fēng)向和風(fēng)速可以用場(chǎng)景中樹(shù)木、旗幟等對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)描述。
（4）日照 表示太陽(yáng)照射時(shí)間的量。在三維場(chǎng)景中，日照通過(guò)燈光的設(shè)置直接進(jìn)行描述。在Performer中，有光源節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)光照效果，光源節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是表示視景圖像中的一個(gè)圖形庫(kù)光源。對(duì)視景圖像施加的變換會(huì)改變光源的位置和方向。將全局光源模型與對(duì)象的材料屬性相結(jié)合，幾何流水線在幾何圖形的頂點(diǎn)處計(jì)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(bào)中，對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，把傳統(tǒng)的通過(guò)聽(tīng)覺(jué)獲取氣象信息轉(zhuǎn)化為通過(guò)視覺(jué)獲取，“百聞不如一見(jiàn)”就是一個(gè)非常形象的說(shuō)法。老百姓通過(guò)觀看氣象節(jié)目，對(duì)未來(lái)的天氣情況有著直觀形象的感覺(jué)，而不僅僅停留在“情到多云”、“氣溫15~到
參考文獻(xiàn)
[1] 吳家鑄，黨崗等.視景仿真技術(shù)與應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2001.
[2] 孫繼榮，卓賢林等.用MultiGen 建模與Performer類(lèi)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)窗外視景.中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào).2002,(12):45-48.
[3] 洪萍，姚立峰.電視天氣預(yù)報(bào)中的服務(wù)意識(shí).浙江氣象.25卷2期;40-43.
[4] 王仁喬，王麗等.新一代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)及其技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).湖北氣象.2001(2):4-7.
[5] 李從信，吳秀芹等.視景仿真技術(shù)在油田井下作業(yè)中的應(yīng)用研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2005(2):495-506.
[6] 岳艷霞，宋菁.淺談電視天氣預(yù)報(bào)節(jié)目創(chuàng)新.山東氣象.2003(9):39-40.
[7] 胡濤，李闊.視景仿真技術(shù)應(yīng)用研究.光電技術(shù)應(yīng)用. 2004(6):36-44.
作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)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(shí)；
