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    视景仿真技术在天气预报中的应用

    2006-04-23 陈国栋供搞

     

      要:天气预报节目是服务行业最广,人数最多的节目之一。但目前的天气预报节目形式单一,数据图表、词汇枯燥呆板,专业术语过多。把视景仿真技术应用于天气预报的节目制作中,把枯燥的数据转化成逼真的场景,使天气预报节目更贴近人民生活,更好地服务于大众。

    关键词:视景仿真;虚拟现实;天气预报;可视化

    文章编号:             中图分类号TP391.9  文献标识码A

    Application of Scene Simulation in the weather forecast

    CHEN Guo-Dongn

    (College of Physics and Information Engineering , Fuzhou University ,Fuzhou 350002 China,fzucgd@163.com)

    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

    天气预报栏目是气象部门向社会公众和各行业提供气象服务的主要窗口。它虽然每天只播放几分钟,但它的固有因素相对与其它栏目要多,在这样短的时间内表达大量的信息,且与观众的生活息息相关。

    目前天气预报节目存在一些不足,从电视广播的角度来看,服务类节目应当遵循“尊重人民的知情权,满足人民群众不断增长的信息和文化需求”这一原则。但在目前天气预报节目中,首先节目稿件中专业术语过多,这些专业术语使观众对气象节目不容易接受。其次节目形式单一,要把枯燥呆板的数据图表、词汇点化成会声会色的故事时间困难的事情。

    本文在充分研究天气预报的制作过程及其特点的基础上,探讨运用视景仿真技术把气象数据可视化,提供给观众的不仅是单调的数据或者模糊的词语,而是形象逼真的场景,使天气预报节目不仅是“需要看”,而且是“很好看”的节目,提高老百姓对天气预报的满意度。

    1 关键技术

    1.1 视景仿真

       视景仿真是虚拟现实技术的最重要的表现形式,它综合了计算机、图形处理与生成、网络通信等诸多高技术发展起来的,使用户产生身临其境感觉的交互

    式仿真环境,实现了用户与该环境直接进行自然交互。视景仿真采用计算机图形图像技术,根据仿真目的,构造仿真对象的三维模型再现真实的环境,达到非常逼真的仿真效果。它包括仿真环境制作和仿真驱

    动两个部分。仿真环境制作包括:模型设计、场景构造、纹理设计制作等,它要求构造出逼真的三维模型和制作逼真的纹理和特效;仿真驱动包括:场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地形处理等,他要求逼真地再现仿真环境,实时响应交互操作等。

    1.2天气预报

    天气预报节目是一种特殊的传播活动,它有着自身客观、不以人意志为转移的传播内容和科学的客观规则。它有如下几个制作步骤:首先要收集各地气象站提供的如气温、气压、湿度、风等各种气象资料。这些资料被电传到国家气象中心,作为天气预报员制作预报的“原材料”。其次,绘制天气图。气象中心的超级计算机快速处理这些数量庞大的气象数据,绘制成实况天气图,上面用专门的数字和符号反映同一时间各地的天气情况。第三是分析天气图。要作出天气形式的预报,如未来的是有风,然后在此基础上再进行具体的预报,如风向和风力等。第四利用计算机进行数值预报。超级计算机按照一定的数学模型,严格、定量地计算出未来的天气状况。最后进行天气会商,在这个过程中,专家综合其他各种预报方法和预报经验,确定未来的天气状况和各种气象要素。

    2 系统的实现

    本系统的主要目的是把天气预报得出的天气状况和各种气象要素可视化,使之成为大众容易接受的信息。在实现上面,先建立仿真环境,再用天气预报的结果数据驱动仿真场景。系统的组成框图如图1所示。

    2.1场景建模

         为了给观众创建一个能使他们感受到身临其境和沉浸其中的环境,必要条件之一就是根据需要能逼真地显示出可观世界的一切对象。例如,能显示出山川河谷、花草树木、车船桥梁、广厦楼宇等对象的三维图像。

              首先是选择仿真的地理范围。地理范围的选择要根据预报区域大小来选择,如果预报区域比较大,可以选择区域中比较有代表性的地理环境进行仿真,如果预报区域比较小,可以对整个区域进行仿真建模。

    其次是选择强有力的三维建模软件。这里选择实时三维建模软件MultiGen Creator进行仿真建模。其性能优越,系统可靠,稳定性好。它主要考虑如何生成逼真的大面积地形、地貌等地理环境模型,以及如何提高建模的实时性。它体现了三维实时的精髓:具有超大规模的地形数据库,复杂的拓扑结构,模型可以被分布式驱动,模型的实时渲染余兴采用多种图像格式,允许从多个三维视点观看模型,可以经济高效地提取所有精确的数据等。

    2.2 仿真驱动

    仿真驱动利用天气预报的气象要素作为参数驱动三维场景。

    首先选用IRIS Performer作为开发工具。它是SGI公司(Silicon Graphics Ins.)开发的一个可扩展的高性能实时三维视景开发软件包,主要应用于仿真可视化、娱乐、虚拟现实、视频广播以及计算机辅助设计等领域。

    IRIS Performer将所要渲染的对象用树形结构组织,与MultiGen Creator中的数据结构吻合。视景中最基本的元素是接点,Performer提供了许多节点类型的同时,使用了类继承的概念。一个场景图包含定义一个虚拟世界的数据,场景图中的数据被封装为不同种类的节点。IRIS Performer中的节点类型包括pfGroup,pfScene,pfDCS,pfSwitch,pfSequence,pfLOD,pfGeode,pfBillBoard,pfLightSource等。它们都是pfNode的子类。PfNode是一个基本的节点类,所有的节点都继承它的属性。同时pfNode又是一个抽象类,它的目的是为节点类型的层次结构提供一个根,并定义所有节点共有的属性和操作。

    其次是气象要素可视化。气象要素包括气温、降水、风、日照等,这些要素均能在三维仿真环境体现出来。

    (1)气温 即大气的温度,表示大气冷热程度的量。在仿真环境中,虽然不能够直接对气温进行表示,  但是可以通过间接的方式进行描述。例如气温可以用环境中人物的服饰的来体现。

    (2)降水  指从云中降落的液态水和固态水,如雨、雪、冰雹等。该要素在三维仿真环境中可以直接用粒子系统进行描述。粒子系统是迄今为止被认为模拟不规则模糊物体最为成功的一种图形生成算法,它采用一种统一的模式来生成诸如云、烟、火等具有变化形状的自然景物。在粒子系统中,景物被定义为成千上万个不规则的、随机分布的粒子所组成,而每个粒子都被赋予一定的生命周期,该造型方式使得使用它来模拟雨、雪、冰雹等气象要素成为可能。

    (3)风  空气相对于地面的运动。气象上常指空气的水平运动,并用风向、风速来表示。风向和风速在三维场景中只能用间接的方式来体现。比如风向和风速可以用场景中树木、旗帜等对象的运动状态来描述。

    (4)日照 表示太阳照射时间的量。在三维场景中,日照通过灯光的设置直接进行描述。在Performer中,有光源节点来实现光照效果,光源节点的主要任务是表示视景图像中的一个图形库光源。对视景图像施加的变换会改变光源的位置和方向。将全局光源模型与对象的材料属性相结合,几何流水线在几何图形的顶点处计算光照。

    3 结论

    本文把视景仿真技术应用于天气预报中,对气象数据进行可视化,把传统的通过听觉获取气象信息转化为通过视觉获取,“百闻不如一见”就是一个非常形象的说法。老百姓通过观看气象节目,对未来的天气情况有着直观形象的感觉,而不仅仅停留在“情到多云”、“气温15~到23摄氏度”等一些文字或者数字描述上面。使气象节目的理念从“传播知识”的形态向“服务大众”的形态进行过渡。

    参考文献

    [1] 吴家铸,党岗等.视景仿真技术与应用.西安:西安电子科技大学出版社.2001.

    [2] 孙继荣,卓贤林等.用MultiGen 建模与Performer类库实现实时窗外视景.中国民航学院学报.2002,(12):45-48.

    [3] 洪萍,姚立峰.电视天气预报中的服务意识.浙江气象.25卷2期;40-43.

    [4] 王仁乔,王丽等.新一代天气预报业务系统及其技术的发展趋势.湖北气象.2001(2):4-7.

    [5] 李从信,吴秀芹等.视景仿真技术在油田井下作业中的应用研究.系统仿真学报.2005(2):495-506.

    [6] 岳艳霞,宋菁.浅谈电视天气预报节目创新.山东气象.2003(9):39-40.

    [7] 胡涛,李阔.视景仿真技术应用研究.光电技术应用. 2004(6):36-44.

    作者简介:陈国栋(1979~),男,福建省泉州人,博士研究生,主要研究方向:虚拟现实;




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