一種基于GPU的氣象站點(diǎn)填圖繪制方法

劉冰 戴超

摘要 本文結(jié)合OpenGL及GPU渲染管線技術(shù)，探討了一種使用c++語言開發(fā)的支持MICAPS氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的GPU繪制方法。該方法基于GPU高速標(biāo)繪技術(shù)，利用GPU的并行計(jì)算能力，使用頂點(diǎn)著色器和片斷著色器，將站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理后進(jìn)行繪制。實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，具有較高的圖形圖像顯示速度，從而保證流暢的用戶體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】氣象站點(diǎn)填圖 GPU編程 GL 著色器

隨著自動(dòng)氣象站在全國(guó)各地廣泛建設(shè)和投入，充分發(fā)揮氣象觀測(cè)站業(yè)務(wù)和社會(huì)效益，對(duì)氣象站圖形展示方式的直觀性、清晰性和高效性提出更高要求。目前應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)及科研使用的圖形處理系統(tǒng)有MICAPS系統(tǒng)、Fortan、GRADS、Surfer軟件等。在繪圖應(yīng)用方面，黃天文[1]提出使用VC++的MFC庫(kù)6 0版本開發(fā)氣象地面填圖系統(tǒng);郭建民[2]利用Flash結(jié)合Asp開發(fā)區(qū)域氣象資料填圖WEB顯示系統(tǒng);扎西才讓[3]等由Visual Basic6.0企業(yè)版，開發(fā)青海省自動(dòng)氣象站資料應(yīng)用系統(tǒng)。從以上研究可以看出，氣象站圖形顯示系統(tǒng)在業(yè)務(wù)工作中的廣泛性。

本文結(jié)合OpenGL語言及GL著色器，探討了支持MICAPS（含第一類、第二類和第三類數(shù)據(jù)）氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的GPU繪制方法。該方法使用c++語言開發(fā)，具有原生程序所特有的速度快、系統(tǒng)資源需求低的優(yōu)點(diǎn)。此外，GPU作為顯卡的“大腦”，使用GPU并行化繪圖方法，可顯著提高圖形圖像顯示速度，從而保證流暢的用戶體驗(yàn)。

1 氣象站點(diǎn)填圖數(shù)據(jù)

氣象站點(diǎn)填圖數(shù)據(jù)包括三大類，分別為地面全要素填圖數(shù)據(jù)、高空全要素填圖數(shù)據(jù)及通用填圖數(shù)據(jù)。氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)說明見表1。

2 GPU渲染管線

GPU在硬件設(shè)計(jì)上采用許多簡(jiǎn)單的流處理器，減少原本用于復(fù)雜邏輯控制和緩存管理的晶體管，用以增加并行處理單元和存儲(chǔ)控制單元。與CPU相比，GPU的優(yōu)勢(shì)為強(qiáng)大的并行處理能力和高效率的數(shù)據(jù)傳輸能力。與CPU相同，GPU也可以用任意的指令序列進(jìn)行編程，執(zhí)行你可以想象得到的任何計(jì)算。在現(xiàn)代GPU上，圖形運(yùn)算中常見的運(yùn)算操作執(zhí)行速度非?？?。通常情況下，最快的操作是標(biāo)量和向量的乘法和加法，以及他們的組合，如乘加和點(diǎn)乘運(yùn)算。其他如倒數(shù)、平方根、正弦、余弦、指數(shù)、對(duì)數(shù)運(yùn)算，往往導(dǎo)致開銷增大，但依然相當(dāng)快捷。紋理操作非常高效。

GPU渲染管線處理流程如圖1所示。其中頂點(diǎn)著色器和片斷著色器是完全可編程的。

2.1 可編程頂點(diǎn)著色器

頂點(diǎn)著色器可以對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行諸如變換和變形在內(nèi)的很多操作，提供了修改、創(chuàng)建、忽略頂點(diǎn)屬性（包括顏色、法線、紋理坐標(biāo)和位置）的功能。它是完全可編程的，由vertexshader完成。輸入與輸出一一對(duì)應(yīng)，即一個(gè)頂點(diǎn)被處理后仍然是一個(gè)頂點(diǎn)，各頂點(diǎn)間的處理相互獨(dú)立，可以并行完成。

2.2 可編程片斷著色器

片斷著色器主要作用是進(jìn)行像素處理，讓復(fù)雜的著色方程在每一個(gè)像素上執(zhí)行。它是完全可編程的，由geometry shader完成。輸入和輸出不是一一對(duì)應(yīng)，一個(gè)圖元被處理后可以生成O個(gè)或者多個(gè)圖元，各圖元處理也是相互獨(dú)立的。本階段輸出一個(gè)新的圖元流。

2.3 固定功能膠水

在頂點(diǎn)著色器和片斷著色器之間，仍然保留的一些固定功能階段，作為粘貼兩種著色器的膠水，包括裁剪階段、光柵化等階段。

3 網(wǎng)格化數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

考慮不同站點(diǎn)的同一類型填圖數(shù)據(jù)顯示的內(nèi)容包含相同的要素，同時(shí)每一種要素使用的繪制方式均相同，包括位置、氣象現(xiàn)象、顯示顏色、旋轉(zhuǎn)等效果。設(shè)計(jì)使用網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表2。

4 GPU繪制實(shí)現(xiàn)方法

制作RGBA格式的天氣符號(hào)紋理貼圖。考慮到站點(diǎn)填圖使用的氣象符號(hào)共200余類，以像素為單位設(shè)計(jì)使用紋理貼圖大小為1024*1024，每個(gè)符號(hào)大小為32*32。根據(jù)紋理貼圖計(jì)算每個(gè)符號(hào)在紋理貼圖上的紋理坐標(biāo)，為便于對(duì)氣象符號(hào)紋理坐標(biāo)進(jìn)行管理，可使用xml配置文件建立氣象符號(hào)與紋理坐標(biāo)間的索引。依據(jù)實(shí)際顯示效果要求，也可設(shè)計(jì)多幅紋理貼圖。

利用GPU繪制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣象站點(diǎn)填圖功能的處理流程如圖2所示。

具體過程包含以下步驟：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：解析天氣填圖數(shù)據(jù)并數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理;

（2）著色器：

首先，使用glewlnit（）初始化環(huán)境;

其次，使用glCreateShader（）創(chuàng)建頂點(diǎn)和片段著色器對(duì)象。同時(shí)，使用gIShaderSource（）指定著色器文本。OpenGL著色器語言（GLSL）可以方便地用于頂點(diǎn)和片段著色器。

第三，使用glCompileShader（）編譯著色器?？梢酝ㄟ^glGetShaderiv和glGetShaderInfoLog查詢編譯是否成功及編譯失敗所產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息。

（3）程序?qū)ο螅撼绦驅(qū)ο笞鳛橹鲗?duì)象的容器使用，把它們鏈接到一個(gè)可執(zhí)行文件。

首先，使用glCreateProgram（）創(chuàng)建程序?qū)ο螅?/p>

其次，使用glAttachShader（）把著色器對(duì)象粘附到程序?qū)ο笾小?/p>

（4）建立標(biāo)繪數(shù)據(jù)的數(shù)組，包括頂點(diǎn)數(shù)組和頂點(diǎn)索引數(shù)組。同一類型氣象填圖數(shù)據(jù)的不同站點(diǎn)數(shù)據(jù)中包含多個(gè)標(biāo)繪數(shù)據(jù)，每個(gè)標(biāo)繪數(shù)據(jù)以頂點(diǎn)數(shù)組的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)。標(biāo)繪數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式見表2。頂點(diǎn)索引數(shù)組對(duì)應(yīng)每一個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制時(shí)提交頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，直接指定頂點(diǎn)索引，頂點(diǎn)索引會(huì)一一映射到頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，這樣就消除了冗余的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，以更加靈活的方式進(jìn)行渲染;

（5）創(chuàng)建頂點(diǎn)緩沖對(duì)象（VBO）。從CPU端向GPU端一次性提交所有繪制數(shù)據(jù)，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)存放在圖像顯卡的內(nèi)存中;同時(shí)，用戶可根據(jù)VBO用途，制定性能提示參數(shù)，OpenGL根據(jù)該提示，盡可能將數(shù)據(jù)放置在性能最優(yōu)的內(nèi)存中（顯存、AGP內(nèi)存或者CPU內(nèi)存）;

（6）創(chuàng)建索引緩沖對(duì)象（IBO），存儲(chǔ)頂點(diǎn)索引數(shù)據(jù);

（7）綁定程序?qū)ο?。使用glUseProgram綁定程序?qū)ο?，使用gIGetUniformLocation和glUniformlf等函數(shù)傳入?yún)?shù)數(shù)據(jù);

（8）利用OpenGL的可編程渲染管線技術(shù)，使用著色器語言（ GLSL）的vertex頂點(diǎn)和fragment片元著色器處理。其中，頂點(diǎn)著色器操作的是頂點(diǎn)，基本任務(wù)是產(chǎn)生頂點(diǎn)位置gl_Position;片元著色器用于計(jì)算輸出片元的顏色gl_Color;將頂點(diǎn)著色器和片段著色器載入到顯卡的存儲(chǔ)單元在圖形流水線中使用GPU執(zhí)行，完成繪制處理;

（9）繪制流程結(jié)束時(shí)，需要釋放開辟使用的各種內(nèi)存資源。避免資源過度開銷。

5 顯示效果

在加載包含國(guó)境線、道路、行政地名、地物等地圖數(shù)據(jù)的矢量地圖上，繪制2006年04月12日05時(shí)的全球地面全站點(diǎn)（Micaps第一類數(shù)據(jù)）要素顯示效果如圖3所示。首次上圖顯示用時(shí)不超過Is，在不同比例尺下對(duì)地圖進(jìn)行漫游、縮放操作時(shí)，響應(yīng)時(shí)間均不超過lS。

6 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)功能及氣象探索方法技術(shù)含量的提升，人們能獲取氣象信息的途徑和方法日益增多，同時(shí)氣象信息的圖形顯示技術(shù)也越來越重要。本文使用基于GPU的高性能標(biāo)繪技術(shù)，探討了支持MICAPS氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的繪制方法。實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，具有較高的圖形圖像顯示速度，從而保證流暢的用戶體驗(yàn)。文中詳細(xì)描述了GPU使用步驟，對(duì)軟件開發(fā)者有一定的參考價(jià)值。

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