摘要：如何将各种电视制作新技术和电视气象节目的特性相结合，创出一条既能满足社会发展需求、又符合电视气象栏目自身发展规律的新路，是摆在我们气象影视工作者面前的重大课题，本文结合图文包装系统的发展历程，初步介绍了当前最新三维在线包装系统的构成及其在气象电视节目中的应用。 关键词：三维图文包装、电视气象节目、渲染、DAURIC 一、技术背景 随着计算机图形处理能力的不断增强以及IT技术和电视节目制作技术的日益深入结合，电视图文制作系统的发展大致经历了以下几个阶段： 1．手写黑白字幕（手摇字幕机、幻灯字幕）
2．简单二维平面字幕
3．具备质感、动感的二维图文
4．高质量的三维图文包装系统【1】。 目前，在电视气象节目制作领域，大部分制作系统的图文处理模块都处于“阶段3”，也就是“具备质感、动感的二维图文”这个阶段，与对新技术极度敏感的各级电视台相比，毋庸讳言，我们电视气象节目制作单位在采用新技术方面还有一定的滞后性；当然，从节目安全的角度来看，使用成熟的、主流式的技术是必要的，但是，我们也不能放弃在电视气象节目中应用新技术的尝试。 传统的图文字幕机一般只是对二维平面图片进行处理，它的处理对象是二维的图元或者平面的图片，计算机处理单元对这些图元或图片进行平面变化和缩放处理后将数据传递给视频处理模块，视频处理模块则根据同步信号处理模块传来的外来同步信号，将变换后的图形做视频处理，同时还要对活动视频处理模块送来的外来活动视频进行贴图处理，最后才能得到符合设计要求的视频信号，送入数据缓冲区，完成视频信号的输出。如图1所示。 
而三维图文包装系统不仅能对平面图片进行处理，还能调用标准的三维模型文件，例如：3DS或WRL文件，或者自己建立独立的三维模型文件，也就是说，三维图文包装系统能够对真三维的模型进行即时的三维填充和渲染。由此，我们可以得出三维图文包装系统最大的特点——实时性，所以有些三维图文包装产品又被称为“在线包装系统”。 在三维图文包装系统的渲染核心中，CPU在对三维模型进行处理后，把用三维建模器生成的矢量图形文件的顶点数据送入到渲染核心的图形处理流水线中，这些顶点代表了场景中各个三维物体的模型，并且包含多组不同的数据，如顶点坐标、颜色、纹理坐标等。渲染核心首先对这些顶点数据进行最基础的几何变化，如坐标变换、平移缩放等，另外还对场景中的光源进行处理，如点光源、单方向光源等，经过这一步操作就产生了经过变换、并带有光照效果的顶点数据。接下来要进行的是裁剪、三角形设置和光栅化，裁剪主要是去除视场外的无用资料，三角形设置就是用顶点构建多个三角形，而光栅化就是用像素填充这些三角形。之后，我们需要进行场景中多纹理的混合处理，并处理场景中的光照和阴影，经过以上流程，就完成了对整个计算机图形的渲染过程，此后，再对图形进行视频处理，同样包括对活动视频的视频贴图和对同步信号的处理，最后才能输出符合电视标准的视频信号。如图2所示： 
其实，对于图文包装系统来说，字幕机和三维图文包装系统在实时性方面并没有本质的区别，基本上都能满足实时的要求，但是传统的图文字幕机只能对字幕和图文进行简单的色彩、材质变换以及简单的变形处理，效果比较单一；而三维图文包装系统则不一样，其三维渲染的核心技术是基于GPU编程实现的，充分利用了GPU在浮点运算、并行运算、高效纹理处理、向量运算方面的优势，可以实现绚丽的图文效果，包括以前在CPU 上实现的图文处理算法也被移植到了GPU上，以获得更高的效率。系统可以提供质感、光感、动感均非常出色的三维图文效果，实现丰富的特效，如逐片光照、反射、凹凸、散焦等，使三维图文的效果更加绚丽，制作手段更为多样。 二、系统实例 我中心采用的三维图文包装系统是由大洋公司研发的DAURIC图文包装系统，该系统运行在windows vista/windowsserver 2008/windows 7平台上，其渲染引擎构架在DirectX10上，最大限度的利用了高端专业显卡在图形图像处理方面的各种领先技术，整体性能比上一代操作系统下的DirectX 9提升了20%。下面，我们来了解一下该系统的基本构成，其系统拓扑图如图3所示： 
1．网络构成 典型的DAURIC图文包装系统是由一个模板制作工作站、一个播出控制工作站和一个播出服务器构成。 但从我中心目前的节目制作需求出发，并兼顾以后发展的可能性，我们没有采用一套完整的系统，而是在整合现有资源之后，放弃了其中播出服务器的部分，将整合后的视音频信号统一传入后期系统进行下一步处理。 2．模板制作工作站 模板制作工作站通过统一构建的真三维场景，完成电视气象节目的所有图文字幕场景及模板的制作工作，进行节目统一形象的图文设计和创作，制作完成的的模板将被存入数据库服务器，以便于播出控制工作站调用。 经过一段时间的实际应用，DAURIC图文包装系统体现出了以下几个方面的优点： 2.1. 真三维空间场景 DAURIC为用户提供了真正的三维创作空间，并通过统一的摄像机和光源设置，可以制作出逼真的三维空间场景。如图4所示： ● 独有的场景和层设计，为用户提供每一个场景支持多层的设计思路。其中每一层都是一个独立的空间，这些空间分为2D空间和3D空间。2D空间是传统的图文层，不支持物件之间的穿插，摄像机固定，它在整个场景中作为3D空间的前景层和后景层存在，可以制作一些唱词、滚屏之类的字幕镜头，满足传统图文制作播出的需求。系统为2D空间渲染提供了两种加速方式，当空间以2D物件为主时，应使用默认渲染方式，而当空间内以3D物件为主时，则应启用3D加速模式；3D空间是真三维统一场景，支持物件的穿插，支持摄像机的调整，受场景统一光源的影响。 
● 统一的三维空间摄像机和光源设置。 3D空间的摄像机采用真实的摄像机参数，如：pan/tilt/twist/zoom等，还可以通过场景导航器以及摄像机视图直接进行所见即所得的调整。 3D空间的光源包括三种类型，泛光、聚光以及平行光，共设有6盏，每个物体还可以单独制定其照射光源。摄像机和光源都支持平滑的贝赛尔曲线运动，通过目标锁定功能，可以轻松实现摄像机跟踪目标物体进行运动的效果。 2.2. 简单快捷的动画制作 好的效果不一定要通过复杂的制作方式来实现，DAURIC提供了多种快捷灵活的制作手段，帮助用户在三维空间中快速完成复杂场景的制作。 ● 标版和容器 2D物件可以编组生成标版，标版具有独立的标版特技效果，如逐字下落等。 所有的物件都可以结成容器，容器具有本身的特性，如大小、运动、旋转、alpha通道等等，容器内的物体也可以具备自己的特性，但一个容器内的所有物件一定都具备容器的特性，这样的设置避免了制作人员大量的重复工作，大大提高了工作效率，而且，容器可以无限嵌套。 ● 阵列 系统提供了三维的空间阵列，能够快速的生成物体的排列效果。 ● 特技特效 2D物件可以增加滤镜效果，同时可以添加2D特技；3D物件每个面的纹理都可以添加纹理特技；场景之间支持添加整页转场特技。 ● 多视图编辑与场景导航功能 在摄像机编辑视图的基础上，系统还增加了多个辅助视图，既可以显示前后左右顶底6个方位的正交视图，也可以调整为任意角度的透视图。如图5所示： 
每个视图右上角设有场景导航器，支持通过拖拽、点击等方式，轻松转到理想的角度。在物件不是正对摄像机的情况下，编辑这个物件内容时，摄像机会旋转到正对位置，直到编辑结束再回到原位，这样使得3D场景下的操作更加便捷、直观。 2.3．开放的文件接口 广泛的格式兼容 DAURIC支持多种视音频、图片、模型格式。 ● 系统支持Photoshop psd文件的分层导入，可以将该文件中的层和本身的场景层进行对应，让平面软件和场景制作结合起来，使得设计过程更直观，设计效果也更容易把握。但是在实际使用过程中，我们发现，分层导入的只是该层的基本数据，如位置、色素等等，PS中的应用效果并不能得到移植，所以要求制作者具有一定的平面设计能力。系统提供了将图片序列还原为动画的功能，也提供了将动画或者是视频分解为图片序列的功能，两者可以互逆。 ● 兼容多种三维模型 如3DS、OBJ以及X3D/WRL格式，支持该文件的关键帧动画和骨骼动画的同步导入。 3. 播出服务器 DAURIC的播出服务器CG-Server采用RedBridgeⅢ板卡，保障所有的场景都是在播出过程中实时渲染播出的。 RedBridgeⅢ板卡是Redbridge广播级视音板卡中首款支持HD-SDI的板卡，也是国内第一块自主研发的支持HDTV的广播级视音频板卡。 4．网络化、系统化的业务工作流程 DAURIC是一个分模块、网络化的系统，其业务流程主要包括：场景设计、模板制作、编单制作、控制播出等。 在我们的实际应用过程中，由于电视气象节目的特殊性，我们淡化了对场景设计的要求，主要应用了模板制作和控制播出两种流程。 模板制作在模板制作工作站上进行，控制播出在播出控制工作站上进行，这样一来，就完全实现了制播分离，也就是说，我们可以在同一时间互不干扰的进行两个节目的进程，这在各制作机构人员和设备都比较紧张、而节目制作量越来越大的今天，是提高设备利用率和工作效率的有效方法。 三、 电视气象节目的发展趋势与三维图文包装的应用 1980年7月，中国气象局与中央电视台合作，第一次在电视上播发天气预报节目，实现了电视天气预报“零的突破”【2】。 1993年，中国第一位天气预报节目主持人走上了荧屏【3】。 2006年5月18日，由中国气象局主办、华风集团承办的中国气象频道正式开播【4】。 三十年来，经过多次改革，电视气象节目在内容和形式上都有了很大的突破，但是，与市场和广大受众的需求相比，目前，国内的电视气象节目无论是在节目的组织观念还是在具体表现样式上，都还有相当大的提升空间，需要在资讯化、娱乐化、时尚化等方面多下工夫。 电视气象节目的资讯化、娱乐化和时尚化可以落实到两个方面，一个是节目的组织与策划，另一个是节目的物理实现，这两个方面也不是截然对立，而是相互依存、相互渗透的。归根到底，我们设想得再多、再好，不能在电视屏幕上把设想实现出来，那也是毫无用处的，而三维图文包装系统则是一种将设想化为现实的途径，它既能够保证资讯化所要求的时效性，其强大的实现功能又确保了内容策划与表现形式的无缝连接，而且，灵活的播出模式还能够最大限度的实现和观众的互动。 四、 应用实例 最后，以一档我们为武汉市电视台新闻频道《都市家园》栏目制作的《农事气象站》节目为例，粗略的介绍一下设备的日常运行情况。 在日常使用之前，其实相关的模板已经策划、制作完成，一般日常修改的都是一些参数，如温度、雨量，或者是图文字幕等内容。 打开模板制作工作站和播出控制工作站，并打开相应模板开始修改，如图6就是在修改温度柱图的数值，而图7则是在修改滚板上展示的文字。 
将修改好的模板保存，就可以在播出控制工作站中直接调用了，刷新节目单然后将其拖拽到串联单中即可。然后，我们可以利用该模板生成一路视频信号，和摄像机采集的、包括主持人画面的视频进行合成，当然，录制期间，我们也可以根据节目的进程控制播出，让各种效果在适当的时候出现，与主持人的配音、动作相配合。 根据图文包装系统的特性，其实，此时输出的视频已经可以直接播出了，也就是说，录制—渲染合成—播出是同步完成的，即所谓的在线包装。 节目的最终录制效果如图8-9所示： 
五、结束语 实现新时期我国气象的大发展，就必须坚持解放思想、与时俱进。气象影视是气象、电视、广告等学科融合的产物，气象影视产业要发展生存，就必须全力开发、融合电视气象资源，拓展生存空间和发展空间，打造气象影视产业品牌。在媒体竞争日益激烈的今天，电视气象节目必须发展、创新，采用在线图文包装系统并不意味着所有的问题都得到了解决，但不能否认的是，我们在这条路上踏出了新的一步，做出了有益的尝试【5】。 参考文献： 【1】张晓冬、刘冬晗： 《三维图文技术分析》《广播与电视技术》2009年第3期
【2】徐杰：《中国电视气象节目研究》《山东大学研究生毕业论文集》2006年
【3】胡云丽、陈斌：《电视气象节目发展现状分析及思考》 《第26届中国气象学会年会公共气象服务论坛——以公共气象服务引领气象科普工作分会场论文集》 2009年
【4】石永怡、李如彬、张开荣：《国外气象频道发展经验与中国气象频道发展道路 》《气象》200906
【5】刘爱萍：《气象影视发展中的问题与思考》《安徽农学通报》 200612
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