基于Web的時變體數(shù)據(jù)的體繪制方法

張 楨, 吳亞東,2

(1.西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 綿陽 621000; 2.四川輕化工大學(xué),四川 宜賓 644005)

0 引言

時變體數(shù)據(jù)是隨時間步長變化的單步態(tài)體數(shù)據(jù)的集合，也是科學(xué)數(shù)據(jù)的重要分支，分析時變體數(shù)據(jù)能夠獲取時變體數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并獲悉數(shù)據(jù)隨時間變化的發(fā)展趨勢。而體繪制則是針對時變體數(shù)據(jù)的有力分析方法，體繪制是將三維數(shù)據(jù)集顯示為二維投影的技術(shù)[1]，相比于面繪制[2]，體繪制能夠直觀地呈現(xiàn)出體數(shù)據(jù)的三維模型，并能夠展示出數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)特點[3]。然而，體繪制算法計算量龐大，目前的體繪制成像系統(tǒng)多集中在本地運行，采用C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)，用戶需要在計算機安裝特定的應(yīng)用軟件，并利用本地的圖形硬件實現(xiàn)體繪制算法，提升體繪制效率，因此，C/S架構(gòu)無法便捷的進行訪問，也難以實現(xiàn)跨平臺[4]。

近年來，基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的科學(xué)數(shù)據(jù)繪制成像系統(tǒng)逐漸興起。B/S架構(gòu)具有易訪問、跨平臺等特點[5]，同時WebGL的出現(xiàn)更使得瀏覽器能夠利用本地GPU進行高性能圖形渲染[6]。因此，基于B/S架構(gòu)硬件依賴小，同時兼顧跨平臺訪問和高性能的特點，本文提出了一種基于B/S架構(gòu)的時變體數(shù)據(jù)的體繪制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過WebGL標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了光線投射體繪制算法，在瀏覽器端實現(xiàn)對體數(shù)據(jù)的體繪制及顯示，并支持實時交互。同時，通過優(yōu)化體數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程，縮短了單步態(tài)體數(shù)據(jù)的繪制時間，減少單步態(tài)體數(shù)據(jù)繪制所占用的內(nèi)存空間，使得瀏覽器端能夠?qū)r變體數(shù)據(jù)集合全部載入，并逐步繪制顯示，以動畫的形式呈現(xiàn)出時變體數(shù)據(jù)的變化效果。最后，本文引入Isabel颶風(fēng)數(shù)據(jù)集進行案例測試，驗證本文方法的可行性。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

體繪制是對科學(xué)數(shù)據(jù)進行三維重建的方法之一，它直接由三維數(shù)據(jù)場生成在屏幕上顯示的二維圖像[7]。體繪制技術(shù)可以展示出科學(xué)數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在描述定形物體上具有明顯的優(yōu)勢，因而成為了科學(xué)數(shù)據(jù)可視化最為廣泛采用的方法之一。

近年來，在Web端進行體數(shù)據(jù)的體繪制得到了長足的發(fā)展，無需借助第三方的瀏覽器插件，純面向Web的可視化系統(tǒng)逐漸成為未來的發(fā)展趨勢[8]。但在早期工作中，體繪制計算量龐大，且硬件性能較低，B/S架構(gòu)的可視化系統(tǒng)主要集中在利用服務(wù)器端對數(shù)據(jù)進行處理并生成繪制結(jié)果，而瀏覽器端僅用于繪制結(jié)果的呈現(xiàn)[9]。高鵬[10]等利用VTK(Visualization Toolkit)可視化工具包，將數(shù)據(jù)在服務(wù)器端進行處理渲染，并生成二維圖片，瀏覽器通過加載二維圖片從而實現(xiàn)“偽3D”的圖像顯示，用戶在瀏覽器端實時生成交互請求，這些請求包括視角變換，縮放等，服務(wù)器根據(jù)交互請求進行繪制并生成新的二維圖片。雷輝等[11]實現(xiàn)了基于HTML5的醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)，服務(wù)器端利用DCMTK模塊對醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進行解析，并繪制出結(jié)果，瀏覽器端采用圖像載入模塊加載繪制結(jié)果并呈現(xiàn)。侯曉帥等[12]提出的B/S架構(gòu)解決方案采用在服務(wù)器端進行圖像分析，并利用服務(wù)器的GPU加速技術(shù)繪制圖像，并將結(jié)果發(fā)送至瀏覽器，瀏覽器端采用HTML5和JavaScript技術(shù)開發(fā)顯示模塊用于呈現(xiàn)繪制結(jié)果。而隨著科學(xué)體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量日益龐大，單個服務(wù)器已無法滿足渲染要求，Robin M.Weiss[13]等使用集群服務(wù)器進行數(shù)據(jù)渲染，集群服務(wù)器將多個渲染引擎連在一起，為體數(shù)據(jù)的繪制提供強大的渲染能力。

服務(wù)器端渲染出圖像結(jié)果并發(fā)送至瀏覽器的解決方案可以利用服務(wù)器的高性能，但服務(wù)器負載會隨著并發(fā)用戶的增長而提升，并發(fā)用戶過多會導(dǎo)致服務(wù)器延遲過高，運行緩慢，甚至崩潰。而WebGL的出現(xiàn)使得面向瀏覽器的體繪制方法發(fā)生了改變，它能夠直接調(diào)用本地計算機的GPU在瀏覽器展示3D模型，借助WebGL，可以直接在瀏覽器端對數(shù)據(jù)進行體繪制。Daniel Haehn等[14]開發(fā)了Slice:Drop可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)采用WebGL在HTML5的Canvas元素中進行3D圖像的繪制，并可以進行部分的交互，但該系統(tǒng)沒有實現(xiàn)直接體繪制的算法，比如光線投射算法[15]。

基于上述工作，目前基于B/S架構(gòu)的科學(xué)體數(shù)據(jù)的體繪制主要面臨著以下問題：

1)體繪制算法實現(xiàn)多在服務(wù)器端進行，服務(wù)器需承擔(dān)數(shù)據(jù)預(yù)處理和繪制，繪制結(jié)果以二維圖片的形式傳至瀏覽器端，服務(wù)器的負載會隨并發(fā)用戶數(shù)量的上升而增長；

2)瀏覽器以二維圖片顯示繪制結(jié)果，制約了交互性能，瀏覽器需將交互請求發(fā)送至服務(wù)器并重新繪制，得到新的結(jié)果，交互性能易受網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器負載影響，造成延時過高，等待時間過長甚至無響應(yīng)等問題；

3)在瀏覽器端利用WebGL進行體繪制時，需將數(shù)據(jù)載入GPU，時變體數(shù)據(jù)具有多個單步態(tài)數(shù)據(jù)，全部載入GPU會導(dǎo)致內(nèi)存占用過高，WebGL程序會因此崩潰，無法有效的對時變體數(shù)據(jù)的所有步態(tài)進行實時的繪制和呈現(xiàn)。

針對上述問題，本文做了以下工作：

1)基于WebGL，實現(xiàn)了Web下的光線投射體繪制算法，瀏覽器利用本地GPU對數(shù)據(jù)進行體繪制并呈現(xiàn)，并支持本地的實時交互；

2)基于維度壓縮對原始體數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程進行優(yōu)化，縮小了原始體數(shù)據(jù)的體量，并減少了繪制時間以及GPU內(nèi)存占用，使得本地GPU能夠載入時變體數(shù)據(jù)的更多步態(tài)。

1.1 本文貢獻

在Web端采用WebGL實現(xiàn)了光線投射體繪制算法，能夠利用本地GPU對體數(shù)據(jù)進行體繪制，并且支持實時交互；

基于維度壓縮優(yōu)化了數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，使得Web頁面能夠更快速、更流暢地繪制科學(xué)數(shù)據(jù)，并且能夠同時載入時變體數(shù)據(jù)的更多步態(tài)，便于觀察時變體數(shù)據(jù)的整體變化趨勢。

2 時變體數(shù)據(jù)的Web體繪制

光線投射算法是體繪制常用算法之一。通過投射一條光線穿過原始3D數(shù)據(jù)體，并在穿入點和傳出點之間進行等間隔均勻采樣，通過傳遞函數(shù)計算采樣點的顏色和不透明度，將采樣點向前合成，合成結(jié)果即是屏幕上一個可見像素點。該過程由圖1所示。通過投射多條光線，所得到的像素點最終在屏幕上呈現(xiàn)出繪制結(jié)果。

圖1 光線投射算法示意圖

在Web下實現(xiàn)光線投射算法，需要先對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作。

2.1 基于維度壓縮的體數(shù)據(jù)預(yù)處理

科學(xué)體數(shù)據(jù)是3D形式，WebGL僅支持2D紋理，因此需對原始的體數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。本文系統(tǒng)將原始的3D體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2D紋理，轉(zhuǎn)換示意圖如圖2所示，該數(shù)據(jù)為人腳部位的CT掃描。本文方法將Z維度拆分，并將Z切片依次平鋪到二維圖上，最終形成圖2所示的二維圖集。

生成2D圖集的過程主要包括：原始數(shù)據(jù)歸一化、轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)類型、生成2D圖集。為提升繪制效率及縮小內(nèi)存占用，本文在預(yù)處理過程中引入維度壓縮方法，以下將介紹基于維度壓縮的原始體數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程。

2.1.1 原始體數(shù)據(jù)的歸一化

科學(xué)數(shù)據(jù)以采集的真實數(shù)值存儲，在生成2D紋理過程中，需要將體數(shù)據(jù)的值賦給RGBA顏色分量(取值范圍：0～255)，因此，首先需將體數(shù)據(jù)的值歸一化到(0～255)區(qū)間。獲取原始體數(shù)據(jù)中體素值的最大值Max和最小值Min，則對于原始體數(shù)據(jù)中每一個體素值V，歸一化過程可由公式(1)～(2)表示：

K=(255- 0)/(Max-Min)

(1)

V=0+K*(Array_A-Min)

(2)

2.1.2 轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)類型

科學(xué)體數(shù)據(jù)通常使用float類型存儲，而Unsigned Char類型相比于float，所占空間可節(jié)省四分之三，這將減輕服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲負擔(dān)，提升數(shù)據(jù)的載入速度，針對于大規(guī)模的時變體數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型，將降低存儲用量，該過程偽代碼如下所示：

begin：

#將原始數(shù)據(jù)讀入數(shù)組Array_source

read source data into Array_source;

#創(chuàng)建新數(shù)組Array_new

create new char array Array_new;

for eachiin Array_source

{

#將Array_source的值通過格式轉(zhuǎn)換，存入Array_new

Array_new[i] =

(unsigned char)Array_source;

}

End

2.1.3 生成2D紋理

將原始體數(shù)據(jù)的Z維度拆分為切片，將切片依次排列在一張圖像上，即可生成2D切片圖像集，2D切片圖像集上每一個像素點的RGBA分量值都由原始體數(shù)據(jù)對應(yīng)體素值(已歸一化到(0～255)區(qū)間)賦予。瀏覽器將此2D切片圖像集作為紋理載入GPU，便可進行光線投射體繪制。生成2D紋理的過程如圖3所示。該過程偽代碼如下所示，生成2D紋理后，即可進行體繪制和呈現(xiàn)。

begin:

#原始體數(shù)據(jù)的三個維度

define width, height, depth;

#讀取原始體數(shù)據(jù)至數(shù)組

data = readSourceData(filename);

#定義PNG圖像行列各分布多少張切片

define slicePerAxis = int(sqrt(depth));

#指定PNG圖像的寬度及高度

define imageWidth = width * slicePerAxis;

defineimageHeight = height * slicePerAxis;

#創(chuàng)建一張指定大小的透明PNG圖片

Image=Image.new(imageWidth, imageHeight);

#將圖片存入像素映射表colormap

#根據(jù)數(shù)組修改其像素值

colormap = Image.load();

for(intz= 0;z< depth;z++)

for(inty= 0;y< height;y++)

for(intx= 0;x< width;x++)

{

index =x+y* width +z* width * height;

rgba = data[index];

#獲取PNG圖像上的X坐標(biāo)

realPosX=x+ (z% slicePerAxis) * width;

#獲取PNG圖像上的Y坐標(biāo)

realPosY=y+ ((int)(z/ slicePerAxis)) * height

#將體素值寫入對應(yīng)點的RGBA分量

colormap[realPosX, realPosY] =

(rgba, rgba, rgba, rgba);

}

End

圖3 生成2D紋理，紋理上每一個像素點的RGBA像素值為(V,V,V, V)，其中V是原始體數(shù)據(jù)中對應(yīng)點的體素值

2.1.4 時變體數(shù)據(jù)維度壓縮

WebGL在繪制過程中將逐像素處理2D紋理，這是體繪制時間和內(nèi)存的主要開銷，而觀察時變體數(shù)據(jù)整體變化過程，瀏覽器需載入全部單步態(tài)數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)快速繪制和低內(nèi)存占用，需考慮如下因素：1) 縮短單步態(tài)數(shù)據(jù)的繪制時間；2) 減少單步態(tài)數(shù)據(jù)的內(nèi)存占用。因此，本文采用維度壓縮方法，壓縮原始體數(shù)據(jù)維度，減少2D紋理像素點數(shù)量。

本文采用跳躍取樣方法進行維度壓縮，設(shè)置步長step，在(x,y,z)處取樣后，跳躍至(x+step,y+step,z+step)處繼續(xù)取樣，并將取樣點集合存儲為新的體數(shù)據(jù)。通過跳躍取樣，數(shù)據(jù)維度將縮小至原維度的1/step，體素數(shù)量將減少至原數(shù)據(jù)的(1/step)3，極大提升了GPU處理紋理的速度，以及降低GPU內(nèi)存的開銷，維度壓縮偽代碼如下所示：

#原始體數(shù)據(jù)的三個維度

define width, height, depth;

#讀取原始體數(shù)據(jù)至數(shù)組

source_data = readSourceData(filename);

#創(chuàng)建新的體數(shù)據(jù)模板

create new_data;

#定義跳躍采樣值的跳躍系數(shù)step

for(intz= 0;z< depth;z=z+ step)

for(inty= 0;y< height;y=z+ step)

for(intx= 0;x< width;x=z+ step)

{

index =x+y* width +z* height * depth;

#將采樣值寫入新數(shù)組

write data[index] into new_data;

}

該方法會損失原始體數(shù)據(jù)的部分精度，但將顯著提高繪制效率，經(jīng)過案例測試表明，在維度壓縮前后，繪制結(jié)果相差無幾，因此進行維度壓縮具有較好的可行性。

通過以上方法對原始體數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作，最終將得到WebGL體繪制所需的2D紋理，以下本文將介紹如何基于WebGL，實現(xiàn)光線投射體繪制算法。

2.2 基于WebGL的光線投射體繪制

光線投射體繪制算法如圖2所示，其過程可表述為生成包圍盒、投射光線、取樣、光線終止，以及采樣點的合成。以下將分別介紹。

2.2.1 生成包圍盒

包圍盒是一個立方體，將3D體數(shù)據(jù)包圍其中，采用包圍盒取代體數(shù)據(jù)，則無需考慮體數(shù)據(jù)復(fù)雜形式，簡化計算。設(shè)實際體數(shù)據(jù)維度為(width,height,depth)，則據(jù)此創(chuàng)建一個維度同樣為(width,height,depth)的長方體作為包圍盒。

2.2.2 包圍盒空間坐標(biāo)與2D紋理的映射

實際體繪制中，WebGL載入的是2D紋理，因此需要將包圍盒空間坐標(biāo)與2D紋理上的像素點坐標(biāo)建立映射關(guān)系，以便投射光線即采樣。根據(jù)表2生成2D紋理的偽代碼，包圍盒內(nèi)部任意一點坐標(biāo)(x0,y0,z0)與2D紋理像素點實際坐標(biāo)(X,Y)的對應(yīng)關(guān)系為：

X=x0+(z0%slicePerAxis)×width

(3)

Y=y0+((int)(z0/slicePerAxis))×height

(4)

其中，slicePerAxis表示2D紋理上每一行所具有的切片數(shù)量。

2.2.3 投射光線并采樣

設(shè)置視點，模擬觀察者的眼睛，從視點出發(fā)投射一條光線，穿過包圍盒，計算與包圍盒穿入與穿出交點坐標(biāo)，分別作為光線的起點和終點。自定義間隔值，并在光線上進行等間距的采樣，該過程由圖4所示。

圖4 采樣示意圖

(5)

(6)

其中:N表示該條光線上采樣點的總個數(shù)，(xn,yn,zn)則表示第n個采樣點。得到采樣點坐標(biāo)后，即可根據(jù)公式(3)～(4)采集2D紋理上實際對應(yīng)的像素點。

2.2.4 光線停止及采樣點合成

通過傳遞函數(shù)，將采樣點真實數(shù)值轉(zhuǎn)換為顏色和不透明度，并由遠及近(距離視點)，開始合成同一光線上的采樣點，并最終得到屏幕上的像素點。該過程如圖5所示。這是一個迭代過程，當(dāng)光線到達終點時，迭代過程便會停止，為縮減體繪制的時間，當(dāng)其滿足采樣點合成過程中，累積不透明度到達1時，迭代過程可提前停止。由于當(dāng)累積不透明度到達1時，后續(xù)的采樣點將不會影響合成結(jié)果，因此迭代過程便可提前停止。由此，光線投射算法停止的條件為：

1)迭代過程到達光線終點；

2)迭代過程中，累積不透明度到達1。

圖5 采樣點的合成

當(dāng)所有光線上的采樣點向前合成為屏幕上的一個可見像素時，即可在屏幕上觀察到最終的繪制結(jié)果，圖3所示人腳部位的2D紋理圖集在瀏覽器上體繪制的效果如圖6所示。

圖6 體繪制結(jié)果

2.2.5 實時交互

本文通過調(diào)用JavaScript監(jiān)測鼠標(biāo)及滾輪的變化，更改視點的位置，并重新進行體繪制過程，得到新的繪制結(jié)果。由于是在本地利用GPU的高性能進行繪制，交互的延時不受網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器負載的影響，交互響應(yīng)時間快，實時交互性能優(yōu)于傳統(tǒng)的體繪制系統(tǒng)。

3 Web體繪制系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

本文采用B/S架構(gòu)，搭建了Web體繪制系統(tǒng)，并引入Isabel颶風(fēng)數(shù)據(jù)集以驗證本文方法的有效性，服務(wù)器端對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，生成2D紋理，瀏覽器端請求2D紋理，并載入GPU，基于光線投射算法進行體繪制和呈現(xiàn)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)設(shè)計了單文件查看模塊和時變體數(shù)據(jù)觀察模塊。

1)單文件查看模塊:單文件查看模塊用于繪制和呈現(xiàn)時變體數(shù)據(jù)的單個步態(tài)等，該模塊中，原始體數(shù)據(jù)未進行維度壓縮，以觀察體數(shù)據(jù)的全部細節(jié)，并支持觀察者使用鼠標(biāo)及滾輪對視圖進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等交互操作。同時，系統(tǒng)還設(shè)計了傳遞函數(shù)面板，觀察者可以使用不同的顏色編碼和不透明度等控制選項，對體數(shù)據(jù)的繪制結(jié)果進行調(diào)節(jié)。

2)時變體數(shù)據(jù)觀察模塊:該模塊需要將全部單步態(tài)數(shù)據(jù)載入GPU，因此，該模塊加載的原始體數(shù)據(jù)將進行維度壓縮，以縮短單個步態(tài)數(shù)據(jù)的繪制時間和內(nèi)存占用。通過設(shè)

置間隔時間，WebGL將依次動態(tài)的繪制并呈現(xiàn)每一個單步態(tài)數(shù)據(jù)，觀察者由此能夠觀測到時變數(shù)據(jù)動態(tài)的變化過程，以分析時變體數(shù)據(jù)的整體變化趨勢。

3.1 Isabel颶風(fēng)數(shù)據(jù)集

Isabel颶風(fēng)數(shù)據(jù)集是由美國國家大氣研究中心所采集到的颶風(fēng)信息，數(shù)據(jù)集的真實維度為2 139 km*2 004 km*19.8 km，采集到的數(shù)據(jù)以float類型存入500*500*100的維度空間中，該數(shù)據(jù)集一共采集了13個變量，包括云水混合比、溫度、壓力等，每個變量共采集48個時間步長(每隔一小時采集一次，一共采集48個小時)，單步態(tài)數(shù)據(jù)大小為95 MB。

系統(tǒng)采用第一個變量(QCLOUD，云水混合比)作為案例測試，用以驗證系統(tǒng)的有效性和可行性。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

將QCLOUD的48個單步態(tài)體數(shù)據(jù)進行歸一化操作和存儲方式轉(zhuǎn)換后，生成未經(jīng)過維度壓縮的2D紋理。然后對數(shù)據(jù)進行跳躍采樣，本系統(tǒng)中設(shè)置跳躍步長step為2，維度壓縮后體數(shù)據(jù)體素數(shù)量從2 500萬減少到了3.125萬，再生成2D紋理。經(jīng)過維度壓縮和未經(jīng)維度壓縮生成的2D紋理對比如圖8所示，圖8(a)未經(jīng)維度壓縮，圖8(b)經(jīng)過維度壓縮。

3.3 時變體數(shù)據(jù)的Web體繪制

瀏覽器端利用WebGL將數(shù)據(jù)載入GPU進行光線投射體繪制，本系統(tǒng)進行案例測試的硬件環(huán)境信息如表1所示。

圖7 基于B/S架構(gòu)的時變體數(shù)據(jù)體繪制系統(tǒng)框架圖

圖8 第一單步態(tài)體數(shù)據(jù)生成的二維圖集

表1 案例測試硬件環(huán)境信息

3.3.1 原始體數(shù)據(jù)維度壓縮前后繪制對比

經(jīng)過維度壓縮之后，原始體數(shù)據(jù)會損失部分精度，但是將極大地提高體繪制的速度，如圖9所示，圖(a)為當(dāng)跳躍步長step設(shè)置為2時進行維度壓縮所得到的繪制結(jié)果，圖(b)為不進行維度壓縮時得到的繪制結(jié)果，兩種方式的繪制時間和內(nèi)存占用如表2所示。

圖9 兩種處理方式的繪制結(jié)果對比

表2 維度壓縮前后繪制時間對比

體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)維度繪制時間/msGPU占用/MB經(jīng)過壓縮250*250*504355未經(jīng)壓縮500*500*100351226

該案例可證明，進行維度壓縮將顯著提升繪制速度，同時對于繪制結(jié)果影響較小。

3.3.2 單文件查看模塊

系統(tǒng)設(shè)計了單文件查看模塊用以驗證單個體數(shù)據(jù)的實時繪制和交互的性能，如圖10所示，可在列表中選擇需要查看的體數(shù)據(jù)。

圖10 單文件查看模式的繪制效果

通過鼠標(biāo)，對數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等交互操作，以及修改傳遞函數(shù)參數(shù)等操作，視圖能夠?qū)崟r地進行重繪，并顯示新的渲染結(jié)果，修改傳遞函數(shù)的示例如圖11所示。

圖11 改傳遞函數(shù)的繪制效果

測試結(jié)果表明無論是交互，還是修改傳遞函數(shù)值，數(shù)據(jù)均能夠?qū)崟r地進行重新渲染，得到新的結(jié)果，且?guī)俾誓軌蚓S持在58～60 FPS。

3.3.3 時變體數(shù)據(jù)觀察模塊測試

該測試采用QCLOUD變量的48個步態(tài)數(shù)據(jù)，每個體數(shù)據(jù)都經(jīng)過歸一化，存儲格式轉(zhuǎn)換，以及采用步長為2的跳躍采樣進行維度壓縮，試驗測試將48個步態(tài)的數(shù)據(jù)全部載入GPU進行預(yù)渲染，并設(shè)置顯示間隔時間為150 ms，測試結(jié)果表明，在瀏覽器端能夠進行流暢的動畫展示。測試相關(guān)結(jié)果如表3所示。

表3 時變體數(shù)據(jù)觀察模塊測試參數(shù)

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于B/S架構(gòu)的時變體數(shù)據(jù)的體繪制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過WebGL標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了光線投射體繪制算法，并支持實時交互。同時，基于維度壓縮優(yōu)化了體數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程，減少了單步態(tài)數(shù)據(jù)的繪制時間和內(nèi)存占用，使得瀏覽器端能夠?qū)r變體數(shù)據(jù)全部載入，并逐步繪制顯示，以動畫的形式呈現(xiàn)時變體數(shù)據(jù)的變化效果。最后系統(tǒng)引入Isabel時變颶風(fēng)數(shù)據(jù)集進行了案例測試，測試表明，該系統(tǒng)能夠支持體數(shù)據(jù)的實時繪制和交互，并能夠流暢地進行動畫演示，幀速率可達到50 FPS以上。

然而本系統(tǒng)依然存在著不足之處，主要包括：

1)當(dāng)系統(tǒng)并發(fā)訪問數(shù)量增加，系統(tǒng)的并發(fā)性難以維持，會出現(xiàn)系統(tǒng)卡頓，假死等問題；

2)維度壓縮會損失數(shù)據(jù)的精度，并且針對不同規(guī)模的時變體數(shù)據(jù)，跳躍采樣的步長值無法自適應(yīng)取值，缺乏靈活性。

因此在未來的工作中，將主要圍繞一下內(nèi)容進行研究：

1)系統(tǒng)的并發(fā)性，針對大規(guī)模地訪問數(shù)量，系統(tǒng)能夠有效地保持穩(wěn)定性；

2)更加有效的體繪制方法，在體繪制方法上進行研究，改進繪制方法，提升繪制質(zhì)量；

3)針對時變體數(shù)據(jù)，研究自適應(yīng)跳躍步長，根據(jù)不同的體數(shù)據(jù)，自適應(yīng)進行維度壓縮。