李久松, 常曉峰, 田豐林, 紀(jì)鵬波
(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 體育系, 山東 青島 266100)
海洋和大氣數(shù)據(jù)多模式動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
李久松1, 常曉峰2, 田豐林1, 紀(jì)鵬波1
(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 體育系, 山東 青島 266100)
為了實(shí)現(xiàn)海洋和大氣數(shù)據(jù)多模式動(dòng)態(tài)可視化, 本系統(tǒng)使用VC++和CG著色語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā), 渲染引擎基于 OpenGL三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。提出了一系列面向海洋和大氣數(shù)據(jù)的模式分析方法, 包括: 探針功能、線(xiàn)模式、面模式、體模式、矢量模式和動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析等, 實(shí)現(xiàn)了將海量多維海洋大氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間或動(dòng)態(tài)演變的圖像, 同時(shí)完成用戶(hù)交互處理操作。并將可視化技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間序列的海洋大氣數(shù)據(jù), 通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的可視化圖像來(lái)體現(xiàn)海洋大氣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)海洋和大氣數(shù)據(jù)的多模式動(dòng)態(tài)可視化。
海洋大氣數(shù)據(jù); 多模式; 動(dòng)態(tài); 可視化
海洋大氣環(huán)境是一個(gè)典型的多維動(dòng)態(tài)變化環(huán)境,建立直觀(guān)的模式數(shù)據(jù)可視化分析環(huán)境是對(duì)其內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行分析和研究的重要方法。目前國(guó)內(nèi)外已有很多海洋大氣數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的相關(guān)研究, 如NCAR Graphics和GrADS等。但這些可視化系統(tǒng)[1-3]往往局限于二維平面, 無(wú)法表達(dá)海洋大氣這個(gè)三維空間分布的時(shí)間動(dòng)態(tài)過(guò)程。Vis5D和McIDAS 等雖然支持多維圖形的表達(dá), 也實(shí)現(xiàn)了海洋大氣數(shù)據(jù)的可視化,但這些軟件在數(shù)據(jù)管理方面存在明顯不足。Google于2009年初推出了Google Ocean, 基于三維地球球體實(shí)現(xiàn)了大范圍的海底地形三維可視化, 但缺乏對(duì)海洋水體要素的可視化表達(dá)。除Google 以外, NASA的World Wind、ESRI 的ArcGlobe、Skyline 公司的Skyline 等平臺(tái)提供了基于地球球體模型的海洋數(shù)據(jù)可視化表達(dá), 但以上平臺(tái)均基于整個(gè)地球模型,無(wú)法良好地展示局部海域的可視化效果。國(guó)家海洋信息中心以Skyline公司的TerraSuite系列軟件為基礎(chǔ)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了“數(shù)字海洋”原型系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了中國(guó)海域海底、水體等海洋自然要素、自然現(xiàn)象及其變化過(guò)程的數(shù)字化重現(xiàn)和預(yù)現(xiàn), 但其側(cè)重于虛擬仿真, 對(duì)要素的分析功能較少。
本文提出的海洋和大氣多模式動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)海洋大氣數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)可視化, 可視化數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)通用的 NetCDF(Network Common Data Format)數(shù)據(jù)。在可視化方法方面, 提出了探針功能、線(xiàn)模式、面模式、體模式、矢量模式和動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析等海洋大氣數(shù)據(jù)可視化分析概念, 同時(shí)運(yùn)用海量數(shù)據(jù)管理與調(diào)度, 矢量、標(biāo)量可視化等關(guān)鍵技術(shù)以展現(xiàn)各研究對(duì)象在時(shí)間和空間上的變化情況。在此基礎(chǔ)上, 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在同一可視化環(huán)境下,對(duì)兩個(gè)不同的矢量、標(biāo)量海洋大氣要素(如海面氣壓、海面濕度與海面風(fēng)場(chǎng)、海流)同時(shí)進(jìn)行可視化, 最終完成了對(duì)常見(jiàn)海洋大氣數(shù)據(jù)的可視化分析。
相對(duì)于以往傳統(tǒng)的可視化相關(guān)軟件, 本系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可視化圖像任意放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、動(dòng)畫(huà)等一系列功能, 同時(shí), 系統(tǒng)基于內(nèi)存映射文件解決了大數(shù)據(jù)量的承載問(wèn)題, 而且逼真的可視化區(qū)域地理底圖, 使系統(tǒng)具有更好的交互性和直觀(guān)性。
系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、可視化渲染, 用戶(hù)界面控制與可視化環(huán)境三大模塊。
數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)多維海洋大氣數(shù)據(jù)的解讀、存取及管理; 可視化渲染模塊完成多維海洋大氣數(shù)據(jù)的可視化渲染與分析; 用戶(hù)界面控制層響應(yīng)用戶(hù)不同操作, 結(jié)合可視化模塊以靈活的方式展示可視化結(jié)果。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)合消息響應(yīng)的構(gòu)架模式, 如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig. 1 System architecture
系統(tǒng)包括NetCDF數(shù)據(jù)解讀與存取, 可視化區(qū)域紋理貼圖, 數(shù)據(jù)分析與動(dòng)態(tài)可視化等功能。功能模塊之間通過(guò)消息和共享內(nèi)存機(jī)制進(jìn)行通訊和協(xié)作[4]。
NetCDF數(shù)據(jù)解讀、存取功能是將原始的數(shù)據(jù)讀取保存到系統(tǒng)的多維動(dòng)態(tài)數(shù)組中, 以便進(jìn)行下一步的可視化操作??梢暬瘮?shù)據(jù)采用 ROMS(Regional Ocean Model System)模式輸出的NetCDF格式數(shù)據(jù),輸出數(shù)據(jù)包括溫度、鹽度、海流和水位場(chǎng)等。 ROMS的計(jì)算網(wǎng)格為C網(wǎng)格(圖2), 即流速u(mài)、v點(diǎn)的計(jì)算網(wǎng)格和水位、溫度、鹽度等標(biāo)量并不相同, 所有變量均在各自的計(jì)算網(wǎng)格輸出。NetCDF數(shù)據(jù)主要是由Dimensions, Variables, Attributes, Data 四個(gè)部分組成(圖3)。Dimensions主要包含每個(gè)變量的名稱(chēng)和長(zhǎng)度, Variables是各種變量, 如溫度、鹽度等, Attributes是一些輔助記憶的說(shuō)明, 如變量的單位等, Data是主要資料部分。針對(duì)NetCDF數(shù)據(jù)的這種特殊結(jié)構(gòu), 需要在系統(tǒng)中配置用 VC++打開(kāi)讀取 NetCDF數(shù)據(jù)的環(huán)境, 所使用的NcFile類(lèi)中包含了NcDim, NcVar, NcAtt, 分別對(duì)應(yīng)了上面的Dimensions, Variables, Attributes部分。系統(tǒng)使用NetCDF的成員函數(shù) num_dims()獲得文件中的Dimensions個(gè)數(shù), 用 NcFile類(lèi)的另一個(gè)成員函數(shù)get_dim(int id)獲得每個(gè)文件的 Dimensions, 用 NcDim類(lèi)的成員函數(shù) id()、name()、size()依次讀出每個(gè)Dimensions的id, name, size。同理用NetCDF的成員函數(shù)num_vars()獲得文件中Variables數(shù)量, 用NcFile類(lèi)get_var(int id)讀出每個(gè)文件中的Variables, 也可讀出id, name信息。所不同的是Variables還可用num_dims()讀出其所包含的Dimensions個(gè)數(shù), 用get_dim(int id)讀出其包含的Dimensions相關(guān)信息, 同時(shí)文件的Data信息也是通過(guò)Variables來(lái)操作的。
圖2 C網(wǎng)格Fig. 2 C Grid
圖 3 ROMS輸出NetCDF的數(shù)據(jù)格式Fig. 3 Data format of NetCDF
以往的可視化軟件只能簡(jiǎn)單顯示出某個(gè)數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果, 而該數(shù)據(jù)所在的地理區(qū)域情況卻無(wú)法顯示, 利用OpenGL紋理貼圖技術(shù)[5], 本系統(tǒng)可以真實(shí)地展現(xiàn)可視化區(qū)域的地理底圖, 使系統(tǒng)具有更好的直觀(guān)性, 可視化效果更加逼真。紋理貼圖結(jié)果如圖4 系統(tǒng)主界面所示。
數(shù)據(jù)分析與動(dòng)態(tài)可視化功能包含對(duì)海洋大氣要素的探針功能、線(xiàn)模式、面模式、體模式、矢量模式和動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析與可視化。探針功能, 可以將二維屏幕上的點(diǎn)映射為三維坐標(biāo), 用戶(hù)可以使用鼠標(biāo)在屏幕上選取所關(guān)注的信息點(diǎn), 在右側(cè)的用戶(hù)界面會(huì)顯示出該點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、深度以及變量值[6]。等值線(xiàn)分析根據(jù)某一數(shù)量指標(biāo)將值相等的各點(diǎn)通過(guò)內(nèi)插值連成的平滑曲線(xiàn), 使用戶(hù)能直觀(guān)地觀(guān)察海洋要素的值域分布。彩色剖面分析, 就是用不同的顏色來(lái)表示面上各點(diǎn)的物理值。矢量模式分析, 運(yùn)用矢量箭頭對(duì)矢量場(chǎng)進(jìn)行可視化, 用箭頭的長(zhǎng)短來(lái)表示矢量的大小,用箭頭的方向來(lái)表示矢量的方向。體模式分析, 是一種對(duì)三維時(shí)空演變過(guò)程重現(xiàn)的可視化方法, 它可以由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)直接通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生二維圖像。動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析, 主要采用基于動(dòng)態(tài)顯示列表的面可視化分析來(lái)表達(dá)海洋大氣要素的宏觀(guān)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程, 通過(guò)內(nèi)存映射技術(shù)將海量海洋大氣數(shù)據(jù)映射入內(nèi)存, 按時(shí)間分布進(jìn)行過(guò)程可視化, 再現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)要素的演變過(guò)程。圖4為海洋大氣數(shù)據(jù)可視化效果及系統(tǒng)主界面。
圖4 海洋大氣數(shù)據(jù)可視化效果及系統(tǒng)主界面Fig. 4 Visualization of marine data and the system interface
在多維可視化應(yīng)用中, 數(shù)據(jù)量已成為影響系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性的主要因素。海洋時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化之中,海洋現(xiàn)象的表現(xiàn)需要滿(mǎn)足其動(dòng)態(tài)性和時(shí)空過(guò)程性的要求。海洋數(shù)據(jù)的可視化需要體現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程, 這就需要處理海量的數(shù)據(jù)。為進(jìn)行大時(shí)間跨度的可視化與分析, 可針對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)外存交換, 以動(dòng)態(tài)的載入載出代替原本的一次性載入, 使系統(tǒng)能夠承受超過(guò)物理內(nèi)存大小的數(shù)據(jù)量。
內(nèi)存映射文件[7]是 Windows的一種內(nèi)存管理方法,它提供了一個(gè)統(tǒng)一的內(nèi)存管理特征, 使應(yīng)用程序可以通過(guò)內(nèi)存指針對(duì)磁盤(pán)上的文件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn), 其過(guò)程就如同對(duì)加載了文件的內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的可視化分析, 我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的內(nèi)存映射模型, 如圖5。
圖5 內(nèi)存映射模型Fig. 5 Memory-mapped Model
海洋大氣數(shù)據(jù)的多維動(dòng)態(tài)可視化具有訪(fǎng)問(wèn)的局部性, 動(dòng)態(tài)可視化是以時(shí)間點(diǎn)為觀(guān)察窗??梢暬^(guò)程中數(shù)據(jù)只在該時(shí)間點(diǎn)被渲染時(shí)才使用, 所以只要計(jì)算出系統(tǒng)的最短響應(yīng)時(shí)間, 使用多線(xiàn)程方法, 在渲染前將數(shù)據(jù)映射入內(nèi)存, 在進(jìn)行渲染后再將數(shù)據(jù)卸載就可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的承載。
為了獲得最優(yōu)的載入緩沖區(qū)大小和最短響應(yīng)時(shí)間, 我們?cè)诓煌布h(huán)境下進(jìn)行了I/O速度測(cè)試, 如表1。實(shí)驗(yàn)證明, 每次讀取的數(shù)據(jù)總量過(guò)高時(shí)受內(nèi)存換頁(yè)等因素影響, 磁盤(pán)I/O速度會(huì)有明顯衰減。
表1 I/O速度對(duì)比表Tab. 1 Speed comparison of I/O
根據(jù)表1獲得的載入速度, 在數(shù)據(jù)一進(jìn)入內(nèi)存就傳輸至顯存進(jìn)行可視化緩沖的情況下, 只要可視化的時(shí)間窗口切換滿(mǎn)足下式, 即可基本保證無(wú)延遲感,實(shí)現(xiàn)流暢的動(dòng)態(tài)可視化。其中,HS為平均載入速度,CS為顯存至內(nèi)存帶寬,M為每次可視化的數(shù)據(jù)量,T為最短響應(yīng)時(shí)間,fps為渲染幀速。
對(duì)于常見(jiàn)海洋大氣數(shù)據(jù), 本系統(tǒng)主要采用以下可視化方法: 等值線(xiàn)可視化、彩色剖面可視化、動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析、體繪制可視化。
(1) 等值線(xiàn)繪制是標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化的主要技術(shù),是將制圖對(duì)象某一數(shù)量指標(biāo)值相等的各點(diǎn)連成的平滑曲線(xiàn), 由表示制圖對(duì)象數(shù)量的各點(diǎn), 采用內(nèi)插法找出各整數(shù)點(diǎn)繪制而成的。等值線(xiàn)圖的繪制步驟一般包括: 離散數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格化; 在網(wǎng)格邊上內(nèi)插等值點(diǎn)并計(jì)算其位置; 連結(jié)所有等值點(diǎn)以繪制等值線(xiàn); 等值線(xiàn)的潤(rùn)色, 如光滑處理、輔以彩色填充的方式顯示數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)利用三角網(wǎng)格進(jìn)行等值線(xiàn)追蹤, 包括三角網(wǎng)格生成、等值點(diǎn)確定和等值線(xiàn)遍歷三個(gè)步驟。
(2) 彩色剖面即偽彩色圖法, 就是用不同的顏色表示面上各點(diǎn)的物理值。具體表現(xiàn)方式是用不同的顏色以及色彩的飽和度來(lái)表示物理值的大小, 每一類(lèi)剖面可視化都分為彩色剖面生成和彩色剖面繪制兩步。彩色剖面生成, 其特征在于根據(jù)剖面參數(shù)讀取內(nèi)存中的海洋要素值并根據(jù)剖面設(shè)置進(jìn)行采樣生成幾何面片的過(guò)程, 生成的剖面由規(guī)則四邊形網(wǎng)格構(gòu)成, 其中每個(gè)四邊形網(wǎng)格的坐標(biāo)由剖面幾何屬性決定, 而每個(gè)四邊形網(wǎng)格的顏色值由對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的海洋要素屬性值決定。彩色剖面的繪制通過(guò)在幾何節(jié)點(diǎn)增加自定義畫(huà)法, 在自定義畫(huà)法中調(diào)用OpenGL函數(shù)繪出每個(gè)格點(diǎn),每個(gè)小四邊形格點(diǎn)的幾何形狀用4個(gè)四邊形表示, 每個(gè)四邊形頂點(diǎn)的顏色根據(jù)要素值及 color bar(用顏色表示要素的值)進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算。
(3) 動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析, 其特征在于采用基于動(dòng)態(tài)顯示列表的面可視化分析來(lái)表達(dá)海洋要素的宏觀(guān)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程, 海洋數(shù)據(jù)時(shí)間序列表達(dá)的過(guò)程,需要實(shí)時(shí)地調(diào)取在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的海洋要素?cái)?shù)據(jù),根據(jù)時(shí)間序列順序在內(nèi)存中生成繪制數(shù)據(jù), 并按一定的時(shí)間間隔傳輸?shù)戒秩竟芫€(xiàn)中, 其繪制過(guò)程實(shí)質(zhì)上是 OpenGL中復(fù)雜的幾何圖形在屏幕上按時(shí)間順序動(dòng)態(tài)繪制的過(guò)程, 或者說(shuō)是大量的數(shù)據(jù)被按時(shí)間序列調(diào)度并計(jì)算著色的過(guò)程。
(4) 體繪制可視化, 是一種對(duì)三維時(shí)空演變過(guò)程重現(xiàn)的可視化方法, 它可以由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)直接通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生二維圖像。它的主要過(guò)程如下: 首先在一個(gè)空間范圍內(nèi)通過(guò)線(xiàn)性插值來(lái)獲得一系列格點(diǎn)的物理量值。然后, 將每個(gè)點(diǎn)根據(jù)其數(shù)值大小賦予不同的顏色值及透明度值加以區(qū)分。最后通過(guò)光線(xiàn)追蹤的方式產(chǎn)生該空間范圍內(nèi)所有可視點(diǎn)的著色圖像并反映在幾何體中。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于 GPU加速的體繪制算法, 通過(guò)體繪制可以直觀(guān)地對(duì)溫度場(chǎng)等標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行可視化表達(dá), 使用戶(hù)以宏觀(guān)的角度分析海洋要素值的整體分布情況。此外本系統(tǒng)采用基于 GPU的高質(zhì)量體繪制方法——光線(xiàn)投射, 其基本思想是, 對(duì)每個(gè)像素發(fā)出一條光線(xiàn), 沿光線(xiàn)進(jìn)行光亮度積分, 在光線(xiàn)積分過(guò)程中, 沿光線(xiàn)進(jìn)行均勻采樣, 當(dāng)光線(xiàn)跨出數(shù)據(jù)包圍盒, 或不透明度接近1, 停止追蹤。
本系統(tǒng)采用青島麥島附近海域數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)空間范圍為: 35.944183°~36.089145°, 120.357809°~120.534971°,分辨率為0.0008°×0.000975°, 深度范圍為[-20 m, 0]。原始數(shù)據(jù)為總量427 MB的NETCDF數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)配置為: Core2 2.53GHz, 內(nèi)存2 GB,顯卡 GeForce GTS 450。分別進(jìn)行了麥島附近海域的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體和動(dòng)態(tài)可視化。結(jié)果表明, 各種可視化功能幀速都在25幀以上, 交互操作沒(méi)有延遲感。
本文在可視化方法方面, 提出了探針功能、線(xiàn)模式、面模式、矢量模式、體模式和時(shí)間序列分析等海洋大氣數(shù)據(jù)可視化分析概念, 并且運(yùn)用VC++解讀NetCDF數(shù)據(jù)、海量數(shù)據(jù)管理、海洋大氣數(shù)據(jù)多種可視化方法等關(guān)鍵技術(shù), 以展現(xiàn)各研究對(duì)象在時(shí)間上和空間上的變化情況。
本文的創(chuàng)新點(diǎn): 運(yùn)用多種模式分析方法將海量海洋大氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖像, 并顯示在真實(shí)的地理底圖上; 同時(shí)可視化矢量和標(biāo)量數(shù)據(jù), 在同一地理圖層上顯示矢量、標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化結(jié)果, 使科研和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)人員能夠同時(shí)從不同的要素來(lái)觀(guān)察海洋大氣要素的時(shí)空演變特點(diǎn); 探針功能可以將二維屏幕上的點(diǎn)映射為三維坐標(biāo)系統(tǒng), 并在用戶(hù)界面顯示出各點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、深度和相關(guān)變量值, 增強(qiáng)系統(tǒng)的交互性; 本文的下一步研究方向是流線(xiàn)可視化以及改進(jìn)現(xiàn)有可視化算法, 進(jìn)一步改善可視化效果。
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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)
The design and actualization of multimodal dynamic visualization system of marine and atmospheric data
LI Jiu-song1, CHANG Xiao-feng2, TIAN Feng-lin1, JI Peng-bo1
(1. College of Information Science & Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Department of Physical Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)
Jun., 13, 2012
marine and atmospheric data ; multimodal; dynamic; visualization
In order to realize the visualization of multimodal and dynamic data, a multimodal dynamic visualization system was developed using VC++ and CG language. The rendering engine was based on OpenGL three-dimensional standard. A series of mode analysis methods for the marine and atmospheric data analysis were proposed, including probe function, line mode, polygon mode, cuboid mode, vector mode analysis and temporal changes analysis. The system was used to transfer massive marine and atmospheric data into three-dimensional spatial or dynamic evolution images, as well as realize the users interaction processing. Through this system, the visualization technology can be used to analyze long temporal changes of marine and atmospheric data. It turned out that this system can represent the dynamic change process of marine and atmospheric data through the real-time dynamic visualization images.
P76
A
1000-3096(2014)01-0010-05
10.11759/hykx20120613001
2012-06-13;
2012-09-05
國(guó)家 863計(jì)劃(2008AA09A404, 200905030-4, 2010-4-07-XX, 10-1-4-71-hy)
李久松(1987-), 男, 河南商丘人, 碩士, 研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與海洋可視化, 電話(huà): 18766387268, E-mail: lijiusong1987@163.com