三維云圖仿真系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王連杰，韋 群

（1. 航天工程大學(xué)，北京 101400；2. 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000）

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象衛(wèi)星通過搭載的各種氣象遙感器，能夠從太空進(jìn)行全方位、全天候觀測，觀測的內(nèi)容包括云圖的拍攝、云頂溫度和水汽、臭氧等內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)經(jīng)地面站處理后，可以得到紅外云圖、水汽圖以及可見光云圖。然而，基層臺站目前接收的云圖數(shù)據(jù)基本上都是二維云圖，用戶根據(jù)云圖的顏色不同，對云圖進(jìn)行分析。對比三維云圖而言，二維云圖不能反應(yīng)云團(tuán)的垂直分布特征，對臺風(fēng)、低渦等天氣系統(tǒng)反應(yīng)不夠直觀，真實(shí)感較差。

由于云狀能夠直接反應(yīng)的大氣的活動狀態(tài)，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了云圖的三維可視化研究。主要有申閆春等從二維云圖中提取云的三維信息，并利用改進(jìn)的Billboard算法對其進(jìn)行空間填充實(shí)現(xiàn)三維立體云的仿真[1]；Mark J.Harris等人利用前向散射的云陰影算法，在運(yùn)行過程中利用一階各向異性散射和幀對幀的相干性加快云的繪制速度，構(gòu)建出的三維云圖仿真算法[2]；還有郭勝等利用實(shí)時的紅外云圖數(shù)據(jù)，在數(shù)字地球上采用OGS三維渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云圖的三維顯示[3]。

前人的眾多研究，都為本文奠定了很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)[4-5]。本文將采用基層臺站接收的紅外云圖數(shù)據(jù)，利用OpenGL圖形和模型庫，研究構(gòu)建云圖的三維模型，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)三維云圖仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)將極大的方便崗位人員掌握云團(tuán)的變化情況，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 紅外衛(wèi)星云圖概述

1.1 紅外衛(wèi)星云圖的探測原理

在氣象衛(wèi)星上，安裝紅外線儀器對云層中的溫度進(jìn)行測量，其測量結(jié)果將以灰度的形式表現(xiàn)出來，衛(wèi)星上的紅外線儀器能夠接收紅外譜段為 10.5-12.5 μm的輻射，輻射通量的表達(dá)式為

其中上式表達(dá)式中Ts表示地表的溫度，?S表示衛(wèi)星觀測地表的面積，??表示衛(wèi)星儀器上觀測的立體角。通過上式（1）可知，如果云團(tuán)的溫度越高，那么向外輻射的紅外輻射就會越強(qiáng)；反之就會越小。也可以認(rèn)為紅外云圖反應(yīng)的是溫度分布圖，通常云頂溫度高、輻射強(qiáng)的云團(tuán)，對應(yīng)的灰度值也相對較小，像素點(diǎn)表現(xiàn)比較暗，反之則相反[6]。

1.2 紅外云圖的數(shù)據(jù)格式

目前，對于基層臺站而言，最為簡單和直接的方法獲取衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)就是通過 CMACast系統(tǒng)接收衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式采用Micaps第十三類數(shù)據(jù)格式，具體紅外云圖的數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1所示。

表1 第十三類數(shù)據(jù)圖像文件Tab.1 13th Class data image file

文件的描述部分共有128個字符組成，在描述文件后，就是存儲的云圖數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)全部為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，按照先X方向后Y方向的順序進(jìn)行存儲，每一個像素點(diǎn)占一個字節(jié)。

2 總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

云團(tuán)的變化能夠直接反應(yīng)大氣運(yùn)動的狀態(tài)，因此對于云狀的觀測始終是氣象觀測的重點(diǎn)。但對于基層臺站觀測員而言，夜間往往會受到光線或視野的影響，造成觀測結(jié)果的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響天氣預(yù)報的制作。另外，預(yù)報員在分析云圖過程中，部分云系的特征不夠明確，也可能造成崗位人員對天氣系統(tǒng)的誤判。

根據(jù)紅外衛(wèi)星云圖夜間能夠成像的特點(diǎn)，研究實(shí)現(xiàn)三維云圖仿真系統(tǒng)，將有效提高對云狀的判斷準(zhǔn)確度。系統(tǒng)需要完成以下功能：（一）應(yīng)用接收到紅外云圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云圖的二維、三維顯示；（二）云圖數(shù)據(jù)瀏覽過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)向前、向后翻頁、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放以及動畫功能；（三）對于云圖成像過程中，用戶可以應(yīng)用不同的調(diào)色板，改變云圖的顏色，并且能夠?qū)⒃茍D數(shù)據(jù)輸出。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，本系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)導(dǎo)入和數(shù)據(jù)顯示兩個模塊，各個子功能模塊如圖1所示。

圖1 三維云圖仿真系統(tǒng)功能模塊Fig.1 Functional modules of 3D cloud map simulation system

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，主要是用于將云圖、地圖以及調(diào)色板數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)。其中云圖數(shù)據(jù)中存儲了大量的灰度值信息，在讀取過程中需要根據(jù)云圖描述文件中x、y軸圖像的大小，將灰度值數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組中；載入地圖的大小則根據(jù)云圖描述文件中的頭文件中包含經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息，將與云圖數(shù)據(jù)相應(yīng)大小的bmp文件載入到系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)地理信息顯示的功能；調(diào)色板中的數(shù)據(jù)主要用于將灰度值與各顏色分量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)云圖的著色。

數(shù)據(jù)顯示是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的核心部分，主要用于將載入系統(tǒng)的云圖數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理，構(gòu)建出三維云圖模型，與地圖文件共同實(shí)現(xiàn)云圖的顯示，并且在可視化過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對云圖的縮放、平移、動畫、旋轉(zhuǎn)等功能，便于用戶的瀏覽。

2.3 系統(tǒng)坐標(biāo)系

在自然界之中，任何大于絕對零度的物體，都會向外產(chǎn)生黑體輻射，并且隨著物體溫度越高，輻射也會越強(qiáng)。在云團(tuán)中，高度每上升 1000m，云團(tuán)的溫度就會下降 6℃，當(dāng)云團(tuán)的溫度越高，表明云圖越貼近地面，則該類云圖對應(yīng)的灰度值就會變小，在云圖顯示過程中表現(xiàn)的色調(diào)就越暗，如圖2所示。

圖2 紅外云圖三維仿真原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of three dimensional simulation principle of infrared cloud image

由于云圖的灰度值與云團(tuán)高度具有一定的相關(guān)性，云團(tuán)的灰度值越大，則表明云團(tuán)的高度越高，可以利用云圖的灰度值來近似的反應(yīng)云團(tuán)的高低起伏變化。此外，在云圖的頭文件中包含了經(jīng)緯度起始坐標(biāo)信息和圖像的大小，因此可以選用經(jīng)度坐標(biāo)為x軸坐標(biāo)，緯度坐標(biāo)為y軸坐標(biāo)，云圖的灰度值為z軸坐標(biāo)的方式來構(gòu)建云圖的坐標(biāo)系，其視口坐標(biāo)系如下圖3所示。

圖3 OpenGL 視口中的坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system in OpenGL viewport

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 云圖三維模型構(gòu)建

在構(gòu)建云圖的三維模型過程中，除了需要云團(tuán)的經(jīng)緯度信息準(zhǔn)確以外，還需要利用灰度值來準(zhǔn)確的反應(yīng)云頂?shù)母叨?，將相鄰的像素點(diǎn)進(jìn)行連接，這是構(gòu)建云圖仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵。在設(shè)置云圖的高度值時，發(fā)現(xiàn)直接使用灰度值作為高度值，會造成云圖三維模型上下起伏過于明顯，三維云圖仿真效果不夠理想。因此在使用灰度值數(shù)據(jù)過程中，采用將灰度值數(shù)據(jù)除以10，作為云圖的高程值，能夠有效降低了云圖的上下起伏程度，提高云圖顯示效果，還不會造成云圖信息的丟失。此外，為了達(dá)到快速將三角形連接起來的目的，本系統(tǒng)選用OpenGL中的GL_TRIANGLE_STRIP線型連續(xù)填充函數(shù)來構(gòu)造三角形，該函數(shù)在繪制三角形過程中，對比其他OpenGL幾何圖元函數(shù)，能夠使三角形更加具有連續(xù)性，其繪制方法是根據(jù)函數(shù)頂點(diǎn)的奇偶性來將云圖數(shù)據(jù)中的每3個像素點(diǎn)連接成為一個小三角形，如圖4所示。

圖4 GL_TRIANGLE_STRIP 函數(shù)幾何圖元示意圖Fig.4 GL_TRIANGLE_STRIP function geometric diagram

3.2 法向量的處理

在構(gòu)建云圖的三維模型過程中，如果不對光照的反射進(jìn)行處理，則會導(dǎo)致模型表面不夠光滑，出現(xiàn)棱角不夠分明，圖像看不出的情況發(fā)生，因此對頂點(diǎn)法向量進(jìn)行處理就顯得尤為重要。在衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)中，由于該類數(shù)據(jù)并沒有保存頂點(diǎn)的法向量信息，因此需要通過逐個計算得到頂點(diǎn)法向量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過構(gòu)建云圖的三維模型過程中，共構(gòu)造出了512*511個三角形，計算頂點(diǎn)法向量的過程如下：

（1）計算每個三角形的平面法向量；平面上有P0、P1、P2三個點(diǎn)，那么其法向量為N。

其中

（2）將平面法向量進(jìn)行歸一化處理，得到法向單位向量e；

（3）一個點(diǎn)的法向量等于以該點(diǎn)為頂點(diǎn)的所有三角形的法向量之和平均值，在云圖的網(wǎng)格之中一個點(diǎn)法向量往往由8個三角形面求平均而得出，由8個單位法向量的平均值既可以得到該點(diǎn)的頂點(diǎn)法向量。

3.3 調(diào)色板及透明度處理

在構(gòu)建完云圖的三維模型后，可以采用紋理映射的方式為云團(tuán)進(jìn)行著色，實(shí)現(xiàn)云圖的三維顯示。但是由于云系高低起伏不平，高云和低云之間存在著顏色上的差異，相對而言，使用紋理映射的方式會造成大量的數(shù)據(jù)進(jìn)入到內(nèi)存中。為此本文在實(shí)現(xiàn)過程中，采用glColor4ub函數(shù)為每個頂點(diǎn)以及組成三角形的邊，賦值相應(yīng)的像素值顏色。在賦值過程中，由于OpenGL中的glColor4ub其顏色強(qiáng)度值為0-255，而 Micaps調(diào)色板中各顏色分量強(qiáng)度為0-65535，其轉(zhuǎn)換公式為

利用公式（8），可以將Micaps中的顏色強(qiáng)度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到適用于glColor4ub的顏色強(qiáng)度。

另外，在云系的顯示過程中，存在著一些云系不連續(xù)的過渡地帶，在系統(tǒng)在設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程中，需要采用glColor4ub函數(shù)來控制Alpha的值，根據(jù)在多年工作中的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)將灰度值在112.5-176.25，設(shè)置為云團(tuán)的過渡地帶，當(dāng)灰度值小于112.5，則認(rèn)為探測到的為地物向外的輻射，其透明度為 0；而大于 176.25，則默認(rèn)為云圖的紅外輻射，全部進(jìn)行顯示；其余則為過渡云團(tuán)的顏色。

4 三維云圖仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

在三維云圖仿真過程中，主要步驟可以分為（一）讀取云圖文件，并實(shí)現(xiàn)云圖數(shù)據(jù)網(wǎng)格化；（二）利用OpenGL構(gòu)造三角模型，并計算三角形中各個頂點(diǎn)的法向量，根據(jù)調(diào)色板為云團(tuán)進(jìn)行著色處理；（三）將得到的三維云圖和地圖進(jìn)行融合顯示，系統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系圖如圖5所示。

4.1 讀取云圖文件模塊設(shè)計

在應(yīng)用MFC開發(fā)過程中，使用Doc類來管理、加載以及保存應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中，將云圖數(shù)據(jù)的加載、讀取以及獲取云圖的標(biāo)題等功能在CCloudFile類中實(shí)現(xiàn)（如圖6所示），CDoc類依賴于File類實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中由于云圖的灰度值范圍為0-255，因此將存儲云圖數(shù)據(jù)的數(shù)組設(shè)置成為unsigned char型，使其顯示的數(shù)據(jù)范圍為0-255。

圖5 函數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Function relation graph

4.2 繪制云圖模塊設(shè)計

3dCloudView作為仿真系統(tǒng)的核心類，其在實(shí)現(xiàn)過程中數(shù)據(jù)來源于Doc類，在構(gòu)建云圖的三維模型主要通過DrawCloud函數(shù)實(shí)現(xiàn)，首先將云圖數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后，再使用OpenGL函數(shù)對云團(tuán)進(jìn)行透明化處理，為云團(tuán)進(jìn)行著色；另外，還需要在該類中還需要使用LoadMap函數(shù)實(shí)現(xiàn)地理底圖的加載，以及DrawMap函數(shù)實(shí)現(xiàn)地圖文件的繪制，其在實(shí)現(xiàn)過程中，還需要依賴Pal類獲取灰度的轉(zhuǎn)換信息和Graph類實(shí)現(xiàn)OpenGL的信息。

4.3 可視化功能實(shí)現(xiàn)

MainFrame該類主要用于實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，主要的功能有實(shí)現(xiàn)云圖的前后翻頁、動畫、全屏、保存、云圖的前后翻頁等功能。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要是基于 OpenGL函數(shù)庫和 MFC類庫，利用C++語言，進(jìn)行的系統(tǒng)開發(fā)。在使用該系統(tǒng)進(jìn)行顯示云圖過程中，能夠準(zhǔn)確顯示云圖中所包含的信息，臺風(fēng)等云系特征明顯，圖6為系統(tǒng)運(yùn)行效果圖。

圖6 三維云圖仿真系統(tǒng)運(yùn)行效果圖Fig.6 Running effect Map of 3D Cloud image simulation system

6 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了三維云圖仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中所涉及到的關(guān)鍵問題，主要對云圖三維模型構(gòu)建與調(diào)色板應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。經(jīng)過實(shí)例證明，應(yīng)用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)云圖的三維仿真顯示，有效提高了云圖數(shù)據(jù)的使用效率。但是，本系統(tǒng)目前只能夠提供三維云圖的瀏覽，功能上相對簡單，今后將擴(kuò)展本系統(tǒng)的功能，進(jìn)一步挖掘云圖中的信息。

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