基于IDL 的海洋內(nèi)波斷面三維可視化研究與設(shè)計(jì)

陶榮華，陳曉露，陳 標(biāo)，許素芹

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071)

內(nèi)波是海洋中常見的中、小尺度物理海洋現(xiàn)象，它對生產(chǎn)活動(dòng)及軍事活動(dòng)都存在較大影響。區(qū)別于海洋表面波浪，海洋內(nèi)波是指發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海水內(nèi)部的一種重力波，其垂向振幅遠(yuǎn)大于海面上的重力表面波[1]。因此，精確反映（刻畫）海洋內(nèi)波存在海域內(nèi)海洋要素的時(shí)空分布不均勻性，既要考慮水體場的三維變化特征又要體現(xiàn)其垂向的波動(dòng)特性。目前，在表達(dá)和展示海洋水體中內(nèi)波三維空間波動(dòng)特性方面的研究較少，鮮見海洋內(nèi)波三維可視化產(chǎn)品開發(fā)案例。文獻(xiàn)[2]對CTD觀測的內(nèi)波繪制了二維等溫線深度時(shí)間序列圖，文獻(xiàn)[3]對實(shí)驗(yàn)室條件下觀測到的內(nèi)波采用紋影技術(shù)和PIV技術(shù)進(jìn)行了可視化測量，上述工作都只是以二維圖像（圖形）的方式對內(nèi)波的某一斷面或平面進(jìn)行了顯示，沒有從三維空間這個(gè)宏觀角度對海洋內(nèi)波水體進(jìn)行整體可視化表達(dá)，尤其缺乏靈活展現(xiàn)內(nèi)波區(qū)物理要素等值面的波動(dòng)起伏。事實(shí)上，貼切地展現(xiàn)三維分布和逼真地呈現(xiàn)波動(dòng)性有利于揭示內(nèi)波的水體結(jié)構(gòu)及其變化特征，便于直觀、全面及動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)內(nèi)波的時(shí)空特征（波長、振幅、傳播方向和波速等）和變化規(guī)律。

三維可視化技術(shù)是用于顯示、描述和理解三維空間物理要素的一種技術(shù)，具有交互性、多維性和可視性等顯著特點(diǎn)，它是海洋內(nèi)波研究和產(chǎn)品開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)和重要內(nèi)容。IDL（Interactive Data Language）是美國R S I（Research System Inc.）公司開發(fā)的第四代科學(xué)計(jì)算語言，它為用戶提供了完善、靈活、有效的開發(fā)環(huán)境，在三維可視化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是海洋信息可視化不可或缺的基礎(chǔ)軟件。IDL圖形系統(tǒng)包括直接圖形系統(tǒng)（Direct Graphics）和對象圖形系統(tǒng)（Object Graphics），后者融合了C語言的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和OpenGl圖形技術(shù)，有利于充分控制和重復(fù)利用圖形，因此，通常采用后者進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，文獻(xiàn)[4-8]應(yīng)用IDL對象圖形法分別實(shí)現(xiàn)了各自應(yīng)用領(lǐng)域的三維切面的可視化。針對海洋內(nèi)波斷面可視化的實(shí)際情況，本文以對象圖形法為例講述其實(shí)現(xiàn)方法[9]。

1 可視化方法描述

內(nèi)波的存在會(huì)引起海洋要素（溫/鹽/密）的垂直分布不均勻性，進(jìn)而在垂直方向上存在明顯的深度結(jié)構(gòu)。因此，在構(gòu)建的可視化場景中恰當(dāng)?shù)卣故具@種垂向波動(dòng)效果是內(nèi)波斷面可視化的核心和目標(biāo)。從空間位置角度看，海洋內(nèi)波斷面顯示對象包括沿經(jīng)度或緯度的切面和三維立方體等，根據(jù)海洋數(shù)據(jù)可視化維度，可將其分為2D和真3D兩類[10]。由于不同維度的數(shù)據(jù)應(yīng)顯示在相應(yīng)空間區(qū)域內(nèi)，因此，需要設(shè)計(jì)一種可同時(shí)容納并可視化顯示2D和3D的混合型系統(tǒng)。針對研究對象的特點(diǎn)，該可視化技術(shù)包括三維空間及其內(nèi)含實(shí)體的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，其中三維空間是承載各顯示對象的立體視圖窗體框架，后者是欲具體顯示的圖形對象，它以線、面、體的形式多角度展現(xiàn)和表達(dá)內(nèi)波在時(shí)間和空間尺度的分布及特征。

1.1 可視化模型框架構(gòu)建

對象圖形系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)置于IDL內(nèi)核中的IDL對象庫，基于IDL對象圖形系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，實(shí)際上包括構(gòu)建系統(tǒng)物理體系、虛擬圖形體系和系統(tǒng)運(yùn)行體系等三個(gè)架構(gòu)[11]。圖形可視化的主要工作就是用對象圖形構(gòu)建虛擬圖形體系，它涉及為內(nèi)置對象創(chuàng)建正確的層次結(jié)構(gòu)，決定著三維圖景中各圖形的布局及其相互聯(lián)系。通常，按照確定的層次結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建和布局圖形場景，實(shí)現(xiàn)具體的圖形要素對象的顯示。包括：創(chuàng)建IDLgr View對象、創(chuàng)建IDLgr Model對象、創(chuàng)建IDLgr Atom對象、將IDLgrModel加入IDLgrView中，將IDLgrAtom加入IDLgr Model和產(chǎn)生目標(biāo)對象并顯示圖形。根據(jù)前述的功能需求分析結(jié)果，可視化圖形包括：三維圖形、二維切片分布圖形、二維切片等值線圖形、色彩板及附屬標(biāo)注等，圖1給出了開發(fā)過程中創(chuàng)建的樹型顯示對象架構(gòu)。由于空間的限制，圖中將涉及到的圖元對象Visualization Object放置到了右圖中，其中oModel用于承載各斷面的輪廓線（等值線）圖形oContour，oPolygon放置各斷面的二維分布圖。下文主要就圖形對象構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)過程中三維空間斷面顯示技術(shù)進(jìn)行闡述。

圖1 內(nèi)波斷面顯示的對象模型層次結(jié)構(gòu)

1.2 三維空間斷面的可視化

內(nèi)波是一種三維空間水體都存在較大起伏和變化的海洋現(xiàn)象，通常，觀察和分析內(nèi)波體內(nèi)部的信息分布及與其賦存環(huán)境的相互聯(lián)系采用切片圖示法進(jìn)行，即：按照XYZ 軸3個(gè)方向進(jìn)行任意位置切片現(xiàn)象提取，對切片數(shù)據(jù)進(jìn)行影像繪制，再將其投影到多邊形上制作剖面，IDL中則通過給IDLgrPolygon對象的TEXTURE_MAP關(guān)鍵字傳入?yún)?shù)，以多邊形的“面膜貼”形式顯示待繪制圖像（圖2-A）。事實(shí)上，在二維數(shù)據(jù)的可視化中，等值線也是一種常見的表達(dá)方式，它以一組相等數(shù)值的連線表示制圖對象數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而勾畫出制圖對象的空間結(jié)構(gòu)特征。目前，主流的圖形軟件，如SURFER、MALTAB及IDL等都內(nèi)置了該功能。與圖像不同，該方法是以輪廓曲線這種簡潔的圖形形式予以呈現(xiàn)，因此，運(yùn)用繪制等值線的方法一并展示切片數(shù)據(jù)，給分析和研究內(nèi)波提供了一個(gè)新的視覺和途徑。

與IDLgr Polygon對象通過DATA關(guān)鍵字傳入三維空間頂點(diǎn)坐標(biāo)輕易實(shí)現(xiàn)圖像繪制不同，IDL中的idlgrcontour對象事實(shí)上只能直接繪制二維輪廓線，默認(rèn)的繪制區(qū)域是XY 平面。對于沿XYZ 軸3個(gè)方向的任意位置切片而言，它都將其看作XY 平面數(shù)據(jù)并繪制在三維坐標(biāo)系的XY 平面上，如：沿X 軸切片時(shí)，它將YZ 平面的數(shù)據(jù)繪制到了XY 平面上；沿Y軸切片時(shí)，它將XZ 平面的數(shù)據(jù)繪制到了XY 平面上（圖2-B，為了具有區(qū)分度，此處對3個(gè)方向切片的等值線分別使用單一的紅、綠和藍(lán)色標(biāo)繪），因此，存在繪制出的等值線圖形放置不到位問題。本系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過仔細(xì)分析坐標(biāo)系和繪圖區(qū)域的位置關(guān)系，形成了有效的解決策略，實(shí)現(xiàn)了XYZ 軸3個(gè)方向任意位置切片的準(zhǔn)確顯示。

IDL使用右手坐標(biāo)系，沿某軸朝向原點(diǎn)時(shí)，以逆時(shí)針方向?yàn)檎D(zhuǎn)方向。由于Z 軸方向切片數(shù)據(jù)本身就應(yīng)該繪制在XY 平面上，因此，只有其余的兩個(gè)軸方向切片存在“平面位置不對、初始起點(diǎn)不準(zhǔn)”問題。下文以大小為30×40×20的三維數(shù)據(jù)vol，沿X 軸方向的切片matrix（大小為40×20）作為示例講述實(shí)現(xiàn)過程。具體步驟如下：

（1）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為視窗坐標(biāo)

（2）創(chuàng)建等值線對象，將其加載到模板中并將數(shù)據(jù)坐標(biāo)設(shè)置成視窗坐標(biāo)（圖2-C）

此時(shí)，明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)前圖形位于XY 平面。

（3）圍繞Z 軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)圖形90°（圖2-D），重新設(shè)置X 方向和Y 方向的坐標(biāo)屬性（圖2-E）

此時(shí)，當(dāng)前圖形仍然位于XY 平面，但與圖2-C相比，朝向發(fā)生了變化。

（4）圍繞Y 軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)圖形90°（圖2-F），重新設(shè)置Z方向的坐標(biāo)屬性（圖2-G）

此時(shí)，當(dāng)前圖形已位于YZ 平面，且其已精準(zhǔn)卡于X 軸的相應(yīng)切片位置。

需說明的是，此處選取沿X 軸方向切片進(jìn)行講述是因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)步驟最為復(fù)雜；最終示例圖形選擇了沿Y 軸方向切片則是為了圖形可視化效果。同理，運(yùn)用類似方法也可實(shí)現(xiàn)Y軸方向切片的無縫相貼問題，具體實(shí)現(xiàn)方法如表1所示。當(dāng)然，在輸入數(shù)據(jù)是立方體的情況下，若不采用上述方法，也能得出表觀無瑕疵的圖形效果，但其對應(yīng)關(guān)系是不恰當(dāng)?shù)?，這種帶有欺騙性的結(jié)果極具有迷惑性，而且造成這種結(jié)果的原因也不容易被人發(fā)現(xiàn)。

表1中，XY→YZ，是指將三維空間中位于XY 平面的圖形移至YZ 平面；Z（90）指的是圍繞Z 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

2 實(shí)例及討論

基于內(nèi)波區(qū)域海表圖像，結(jié)合現(xiàn)場測量的海區(qū)剖面數(shù)據(jù)可反演出內(nèi)波振幅，進(jìn)而可重構(gòu)出整個(gè)水體的三維結(jié)構(gòu)，它為深入研究和觀察內(nèi)波的時(shí)空特征提供了全域數(shù)據(jù)。圖3-A是根據(jù)2008年5月4日ERS1衛(wèi)星獲得的內(nèi)波SAR圖像進(jìn)而重構(gòu)的三維內(nèi)波場（大小為200×80×20），明顯看出，內(nèi)波引起海洋水體較大的垂直波動(dòng)。為增加形象效果，此處將SAR內(nèi)波圖像無縫地貼于三維圖形的頂面（圖3-B）。按照前述的可視化方法，筆者構(gòu)建了內(nèi)波斷面三維顯示系統(tǒng)。該應(yīng)用系統(tǒng)能交互響應(yīng)各斷面內(nèi)波分布的顯示和垂向輪廓線的顯示，便于在同一框架內(nèi)對內(nèi)波的空間分布特性進(jìn)行可視化比較。

表1 沿X 或Y 軸切片下的斷面輪廓線可視化策略

圖2 三維空間中波面可視化分解圖

圖3 三維內(nèi)波分布圖

圖4 三維空間中切片可視化圖

圖4是對水體部分切片位置（X 軸方向第139位置切片，Y 軸方向第57位置切片）的可視化結(jié)果，其中：圖4-A是該斷面處內(nèi)波的二維分布圖；圖4-B是對應(yīng)位置處內(nèi)波分布的輪廓線圖，不同顏色的輪廓線對應(yīng)著波動(dòng)發(fā)生的不同深度，而同一條輪廓線的起伏程度則對應(yīng)著內(nèi)波所引起的海洋物理要素的垂向震蕩；圖4-C則是利用混合繪制方法在斷面圖基礎(chǔ)上疊加了等值線，逼真地再現(xiàn)了三維空間的內(nèi)波結(jié)構(gòu)（為了區(qū)分背景色彩，明顯提高顯示效果，此處各斷面上的輪廓線只指定了單一顏色），可以清楚的看出該內(nèi)波是沿Y 軸方向傳播。可見，輪廓線這種表達(dá)方法簡潔、明了和形象，更利于對內(nèi)波空間分布特性的表達(dá)和理解。

3 結(jié)語

內(nèi)波是海洋中較為廣泛分布的一種自然現(xiàn)象，本文基于內(nèi)波三維顯示的應(yīng)用需求，采用IDL的對象圖形方法，就體視化技術(shù)在海洋內(nèi)波斷面可視化中的關(guān)鍵問題做了初步的探索。示例表明，該方法能突出反映內(nèi)波的垂向特征且具有動(dòng)態(tài)交互功能。當(dāng)然，由于內(nèi)波水體是一個(gè)三維場，除了本文關(guān)注的垂向波動(dòng)外，事實(shí)上，任一水平面也是觀察內(nèi)波波動(dòng)的有效視角，因此，今后應(yīng)加強(qiáng)該位置的內(nèi)波波動(dòng)特性表征技術(shù)研究。

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