海洋和大氣數(shù)據(jù)多模式動態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

李久松, 常曉峰, 田豐林, 紀鵬波

(1. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué) 體育系, 山東 青島 266100)

海洋和大氣數(shù)據(jù)多模式動態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

李久松1, 常曉峰2, 田豐林1, 紀鵬波1

(1. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué) 體育系, 山東 青島 266100)

為了實現(xiàn)海洋和大氣數(shù)據(jù)多模式動態(tài)可視化, 本系統(tǒng)使用VC++和CG著色語言進行開發(fā), 渲染引擎基于 OpenGL三維圖形標準。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、線模式、面模式、體模式、矢量模式和動態(tài)時間序列分析等, 實現(xiàn)了將海量多維海洋大氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間或動態(tài)演變的圖像, 同時完成用戶交互處理操作。并將可視化技術(shù)應(yīng)用于長時間序列的海洋大氣數(shù)據(jù), 通過實時動態(tài)的可視化圖像來體現(xiàn)海洋大氣數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程。結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可實現(xiàn)常見海洋和大氣數(shù)據(jù)的多模式動態(tài)可視化。

海洋大氣數(shù)據(jù); 多模式; 動態(tài); 可視化

海洋大氣環(huán)境是一個典型的多維動態(tài)變化環(huán)境,建立直觀的模式數(shù)據(jù)可視化分析環(huán)境是對其內(nèi)在規(guī)律進行分析和研究的重要方法。目前國內(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, 無法表達海洋大氣這個三維空間分布的時間動態(tài)過程。Vis5D和McIDAS 等雖然支持多維圖形的表達, 也實現(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現(xiàn)了大范圍的海底地形三維可視化, 但缺乏對海洋水體要素的可視化表達。除Google 以外, NASA的World Wind、ESRI 的ArcGlobe、Skyline 公司的Skyline 等平臺提供了基于地球球體模型的海洋數(shù)據(jù)可視化表達, 但以上平臺均基于整個地球模型,無法良好地展示局部海域的可視化效果。國家海洋信息中心以Skyline公司的TerraSuite系列軟件為基礎(chǔ)平臺開發(fā)了“數(shù)字海洋”原型系統(tǒng), 實現(xiàn)了中國海域海底、水體等海洋自然要素、自然現(xiàn)象及其變化過程的數(shù)字化重現(xiàn)和預(yù)現(xiàn), 但其側(cè)重于虛擬仿真, 對要素的分析功能較少。

本文提出的海洋和大氣多模式動態(tài)可視化系統(tǒng)實現(xiàn)了常見海洋大氣數(shù)據(jù)的三維動態(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、線模式、面模式、體模式、矢量模式和動態(tài)時間序列分析等海洋大氣數(shù)據(jù)可視化分析概念, 同時運用海量數(shù)據(jù)管理與調(diào)度, 矢量、標量可視化等關(guān)鍵技術(shù)以展現(xiàn)各研究對象在時間和空間上的變化情況。在此基礎(chǔ)上, 系統(tǒng)實現(xiàn)了在同一可視化環(huán)境下,對兩個不同的矢量、標量海洋大氣要素(如海面氣壓、海面濕度與海面風(fēng)場、海流)同時進行可視化, 最終完成了對常見海洋大氣數(shù)據(jù)的可視化分析。

相對于以往傳統(tǒng)的可視化相關(guān)軟件, 本系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對可視化圖像任意放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、動畫等一系列功能, 同時, 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性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 構(gòu)架設(shè)計

系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、可視化渲染, 用戶界面控制與可視化環(huán)境三大模塊。

數(shù)據(jù)管理模塊負責(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; 用戶界面控制層響應(yīng)用戶不同操作, 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

1.2 功能設(shè)計

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)分析與動態(tài)可視化等功能。功能模塊之間通過消息和共享內(nèi)存機制進行通訊和協(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)的多維動態(tài)數(shù)組中, 以便進行下一步的可視化操作。可視化數(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、海流和水位場等。 ROMS的計算網(wǎng)格為C網(wǎng)格(圖2), 即流速u、v點的計算網(wǎng)格和水位、溫度、鹽度等標量并不相同, 所有變量均在各自的計算網(wǎng)格輸出。NetCDF數(shù)據(jù)主要是由Dimensions, Variables, Attributes, Data 四個部分組成(圖3)。Dimensions主要包含每個變量的名稱和長度, Variables是各種變量, 如溫度、鹽度等, Attributes是一些輔助記憶的說明, 如變量的單位等, Data是主要資料部分。針對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++打開讀取 NetCDF數(shù)據(jù)的環(huán)境, 所使用的NcFile類中包含了NcDim, NcVar, NcAtt, 分別對應(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個數(shù), 用 NcFile類的另一個成員函數(shù)get_dim(int id)獲得每個文件的 Dimensions, 用 NcDim類的成員函數(shù) id()、name()、size()依次讀出每個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get_var(int id)讀出每個文件中的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個數(shù), 用get_dim(int id)讀出其包含的Dimensions相關(guān)信息, 同時文件的Data信息也是通過Variables來操作的。

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單顯示出某個數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果, 而該數(shù)據(jù)所在的地理區(qū)域情況卻無法顯示, 利用OpenGL紋理貼圖技術(shù)[5], 本系統(tǒng)可以真實地展現(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)分析與動態(tài)可視化功能包含對海洋大氣要素的探針功能、線模式、面模式、體模式、矢量模式和動態(tài)時間序列分析與可視化。探針功能, 可以將二維屏幕上的點映射為三維坐標, 用戶可以使用鼠標在屏幕上選取所關(guān)注的信息點, 在右側(cè)的用戶界面會顯示出該點的經(jīng)度、緯度、深度以及變量值[6]。等值線分析根據(jù)某一數(shù)量指標將值相等的各點通過內(nèi)插值連成的平滑曲線, 使用戶能直觀地觀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表示面上各點的物理值。矢量模式分析, 運用矢量箭頭對矢量場進行可視化, 用箭頭的長短來表示矢量的大小,用箭頭的方向來表示矢量的方向。體模式分析, 是一種對三維時空演變過程重現(xiàn)的可視化方法, 它可以由三維數(shù)據(jù)場直接通過計算產(chǎn)生二維圖像。動態(tài)時間序列分析, 主要采用基于動態(tài)顯示列表的面可視化分析來表達海洋大氣要素的宏觀動態(tài)變化過程, 通過內(nèi)存映射技術(shù)將海量海洋大氣數(shù)據(jù)映射入內(nèi)存, 按時間分布進行過程可視化, 再現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)要素的演變過程。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

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 海量數(shù)據(jù)的管理與調(diào)度

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。海洋時刻處于動態(tài)變化之中,海洋現(xiàn)象的表現(xiàn)需要滿足其動態(tài)性和時空過程性的要求。海洋數(shù)據(jù)的可視化需要體現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程, 這就需要處理海量的數(shù)據(jù)。為進行大時間跨度的可視化與分析, 可針對海量數(shù)據(jù)進行內(nèi)外存交換, 以動態(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,它提供了一個統(tǒng)一的內(nèi)存管理特征, 使應(yīng)用程序可以通過內(nèi)存指針對磁盤上的文件進行訪問, 其過程就如同對加載了文件的內(nèi)存的訪問。為實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的可視化分析, 我們設(shè)計了如下的內(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)的多維動態(tài)可視化具有訪問的局部性, 動態(tài)可視化是以時間點為觀察窗。可視化過程中數(shù)據(jù)只在該時間點被渲染時才使用, 所以只要計算出系統(tǒng)的最短響應(yīng)時間, 使用多線程方法, 在渲染前將數(shù)據(jù)映射入內(nèi)存, 在進行渲染后再將數(shù)據(jù)卸載就可以實現(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)時間, 我們在不同硬件環(huán)境下進行了I/O速度測試, 如表1。實驗證明, 每次讀取的數(shù)據(jù)總量過高時受內(nèi)存換頁等因素影響, 磁盤I/O速度會有明顯衰減。

表1 I/O速度對比表Tab. 1 Speed comparison of I/O

根據(jù)表1獲得的載入速度, 在數(shù)據(jù)一進入內(nèi)存就傳輸至顯存進行可視化緩沖的情況下, 只要可視化的時間窗口切換滿足下式, 即可基本保證無延遲感,實現(xiàn)流暢的動態(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)時間,fps為渲染幀速。

2.2 可視化分析方法

對于常見海洋大氣數(shù)據(jù), 本系統(tǒng)主要采用以下可視化方法: 等值線可視化、彩色剖面可視化、動態(tài)時間序列分析、體繪制可視化。

(1) 等值線繪制是標量數(shù)據(jù)可視化的主要技術(shù),是將制圖對象某一數(shù)量指標值相等的各點連成的平滑曲線, 由表示制圖對象數(shù)量的各點, 采用內(nèi)插法找出各整數(shù)點繪制而成的。等值線圖的繪制步驟一般包括: 離散數(shù)據(jù)點網(wǎng)格化; 在網(wǎng)格邊上內(nèi)插等值點并計算其位置; 連結(jié)所有等值點以繪制等值線; 等值線的潤色, 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)格進行等值線追蹤, 包括三角網(wǎng)格生成、等值點確定和等值線遍歷三個步驟。

(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表示物理值的大小, 每一類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)置進行采樣生成幾何面片的過程, 生成的剖面由規(guī)則四邊形網(wǎng)格構(gòu)成, 其中每個四邊形網(wǎng)格的坐標由剖面幾何屬性決定, 而每個四邊形網(wǎng)格的顏色值由對應(yīng)點上的海洋要素屬性值決定。彩色剖面的繪制通過在幾何節(jié)點增加自定義畫法, 在自定義畫法中調(diào)用OpenGL函數(shù)繪出每個格點,每個小四邊形格點的幾何形狀用4個四邊形表示, 每個四邊形頂點的顏色根據(jù)要素值及 color bar(用顏色表示要素的值)進行內(nèi)插計算。

(3) 動態(tài)時間序列分析, 其特征在于采用基于動態(tài)顯示列表的面可視化分析來表達海洋要素的宏觀動態(tài)變化過程, 海洋數(shù)據(jù)時間序列表達的過程,需要實時地調(diào)取在各個時間點上的海洋要素數(shù)據(jù),根據(jù)時間序列順序在內(nèi)存中生成繪制數(shù)據(jù), 并按一定的時間間隔傳輸?shù)戒秩竟芫€中, 其繪制過程實質(zhì)上是 OpenGL中復(fù)雜的幾何圖形在屏幕上按時間順序動態(tài)繪制的過程, 或者說是大量的數(shù)據(jù)被按時間序列調(diào)度并計算著色的過程。

(4) 體繪制可視化, 是一種對三維時空演變過程重現(xiàn)的可視化方法, 它可以由三維數(shù)據(jù)場直接通過計算產(chǎn)生二維圖像。它的主要過程如下: 首先在一個空間范圍內(nèi)通過線性插值來獲得一系列格點的物理量值。然后, 將每個點根據(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。最后通過光線追蹤的方式產(chǎn)生該空間范圍內(nèi)所有可視點的著色圖像并反映在幾何體中。本系統(tǒng)設(shè)計了基于 GPU加速的體繪制算法, 通過體繪制可以直觀地對溫度場等標量數(shù)據(jù)場進行可視化表達, 使用戶以宏觀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——光線投射, 其基本思想是, 對每個像素發(fā)出一條光線, 沿光線進行光亮度積分, 在光線積分過程中, 沿光線進行均勻采樣, 當光線跨出數(shù)據(jù)包圍盒, 或不透明度接近1, 停止追蹤。

3 實驗與分析

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)。

實驗用計算機配置為: Core2 2.53GHz, 內(nèi)存2 GB,顯卡 GeForce GTS 450。分別進行了麥島附近海域的點、線、面、體和動態(tài)可視化。結(jié)果表明, 各種可視化功能幀速都在25幀以上, 交互操作沒有延遲感。

4 結(jié)束語

本文在可視化方法方面, 提出了探針功能、線模式、面模式、矢量模式、體模式和時間序列分析等海洋大氣數(shù)據(jù)可視化分析概念, 并且運用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)各研究對象在時間上和空間上的變化情況。

本文的創(chuàng)新點: 運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, 并顯示在真實的地理底圖上; 同時可視化矢量和標量數(shù)據(jù), 在同一地理圖層上顯示矢量、標量數(shù)據(jù)可視化結(jié)果, 使科研和業(yè)務(wù)預(yù)報人員能夠同時從不同的要素來觀察海洋大氣要素的時空演變特點; 探針功能可以將二維屏幕上的點映射為三維坐標系統(tǒng), 并在用戶界面顯示出各點的經(jīng)度、緯度、深度和相關(guān)變量值, 增強系統(tǒng)的交互性; 本文的下一步研究方向是流線可視化以及改進現(xiàn)有可視化算法, 進一步改善可視化效果。

[1] 徐敏, 方朝陽, 朱慶, 等. 海洋大氣環(huán)境的多維動態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 34(1): 57-63.

[2] 涂超. 海洋溫度場的可視化[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2007, 40(6): 126-128.

[3] Ainsworth E, Ainsworth J. Visualization of ocean colour and temperature from multi-spectral imagery captured by the Japanese ADEOS satellite[J].Journal of Visualization, 1999, 2(2): 195-204.

[4] 程培英, 邵斌. 基于共享內(nèi)存的多處理器系統(tǒng)間通信技術(shù)研究[J]. 微計算機信息, 2008, 24(30): 124-126.

[5] Shreiner D, Woo M, Neider J, et al .OpenGL編程指南. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010: 236-296.

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[7] 孔倩倩, 韓勇, 李文慶, 等. 海洋標量數(shù)據(jù)多維多模式動態(tài)可視化系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)[J].微計算機信息, 2011, 5(5): 177-179.

(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

國家 863計劃(2008AA09A404, 200905030-4, 2010-4-07-XX, 10-1-4-71-hy)

李久松(1987-), 男, 河南商丘人, 碩士, 研究方向為虛擬現(xiàn)實與海洋可視化, 電話: 18766387268, E-mail: lijiusong1987@163.com