基于粒子系統(tǒng)的海量云層數(shù)據(jù)的可視化研究

盧石磊，趙正旭

（石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043）

自然景物的生成與模擬一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尤其是對(duì)于動(dòng)態(tài)自然景物，例如云、煙、火、雨、雪等，傳統(tǒng)的造型方法很難描述它們的形狀和運(yùn)動(dòng)［1］，難以得到具有真實(shí)感的可視化效果，尤其是對(duì)于海量云層數(shù)據(jù)的可視化。因?yàn)樵茖泳哂胁灰?guī)則的集合形狀，細(xì)微的顏色變化而且具有不確定的動(dòng)態(tài)特性，這種動(dòng)態(tài)變化是極其復(fù)雜和混亂的，并受到周?chē)髿猸h(huán)境參數(shù)的影響，所以云層所具有的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性使其很難使用常用的三維建模方法進(jìn)行仿真。而生動(dòng)逼真的可視化云層可以很大程度地提高場(chǎng)景的真實(shí)感和逼真度，所以盡管云層數(shù)據(jù)的可視化具有挑戰(zhàn)性，還是受到了研究者們的廣泛重視并不斷進(jìn)行探索研究。隨著粒子系統(tǒng)在云層數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)上的不斷進(jìn)步，粒子系統(tǒng)也成為實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中具有真實(shí)感的云層數(shù)據(jù)可視化的有效方法。

為了得到具有實(shí)時(shí)性好、真實(shí)感強(qiáng)的大氣云層，在沿用粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合輔助對(duì)象制作原理，模擬開(kāi)發(fā)出一個(gè)實(shí)時(shí)云層模擬系統(tǒng)，可以根據(jù)傳入數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的真實(shí)感強(qiáng)的三維仿真云層，模擬真實(shí)的環(huán)境效果，實(shí)現(xiàn)海量云層數(shù)據(jù)的可視化。

1 粒子系統(tǒng)方法的基本原理

1983年Reeves提出粒子系統(tǒng)的思想，是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)一些自然現(xiàn)象或景物的仿真，之后逐漸的被用于對(duì)非剛性的物體建模。粒子系統(tǒng)采用了一套不同于以往造型、繪制系統(tǒng)的方法來(lái)構(gòu)造和繪制景物，使用過(guò)程計(jì)算模型代替簡(jiǎn)單的靜態(tài)模型，是仿真不規(guī)則景物最成功的圖形生成算法之一。基本思想是將許多簡(jiǎn)單形狀的微小粒子作為基本單元聚集起來(lái)，形成一個(gè)不規(guī)則的模糊物體，從而構(gòu)成一個(gè)密閉區(qū)域，即粒子系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)仿真的景物是由多個(gè)不規(guī)則的，而且是隨機(jī)分布的粒子組成，每個(gè)粒子都有空間位置、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和一定的生命周期，所有粒子屬性都依靠時(shí)間函數(shù)。而一個(gè)粒子究竟具有什么樣的屬性，主要決定于其具體的應(yīng)用。粒子主要分為有狀態(tài)粒子和無(wú)狀態(tài)粒子：有狀態(tài)粒子通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算既可以得到需要的生成粒子的屬性參數(shù)，并且保留粒子的原有屬性，被用于復(fù)雜現(xiàn)象的可視化；無(wú)狀態(tài)粒子的屬性變化由粒子的初始屬性和當(dāng)前時(shí)間決定，適用于簡(jiǎn)單、不規(guī)則的自然現(xiàn)象的可視化。為了增加物理現(xiàn)象的真實(shí)性，粒子系統(tǒng)通過(guò)空間扭曲控制粒子的行為，結(jié)合空間扭曲能對(duì)粒子流造成引力、阻擋、風(fēng)力等仿真影響。

粒子系統(tǒng)以最接近目標(biāo)的方式來(lái)進(jìn)行景物的可視化，對(duì)模擬的對(duì)象沒(méi)有限制，但是運(yùn)算量和存儲(chǔ)量都比較大，在實(shí)時(shí)性應(yīng)用方面也受到限制，并且是從微觀的角度進(jìn)行自然景物的模擬，簡(jiǎn)化時(shí)也易受此制約。因?yàn)榱Ｗ酉到y(tǒng)的仿真需要有粒子的產(chǎn)生和消亡、粒子的更新、粒子的排序以及粒子的繪制，粒子系統(tǒng)的控制機(jī)制控制著粒子的產(chǎn)生、消逝以及動(dòng)態(tài)行為，對(duì)于不同的應(yīng)用，只要相應(yīng)地改變粒子的屬性以及動(dòng)態(tài)變化行為即可。圖1是粒子系統(tǒng)流程圖。

圖1 粒子系統(tǒng)流程圖

傳統(tǒng)的繪制方式中，前三個(gè)環(huán)節(jié)都是由CPU來(lái)完成計(jì)算，這樣CPU的運(yùn)算量過(guò)大，一般的PC終端也只能支持?jǐn)?shù)萬(wàn)粒子的可視化，可視化的應(yīng)用受到很大限制。因此，如何使用較小的運(yùn)算量來(lái)實(shí)現(xiàn)海量云層數(shù)據(jù)的可視化方法成為研究的重點(diǎn)。

2 海量云層數(shù)據(jù)可視化研究的意義

大氣云層是最常見(jiàn)的復(fù)雜自然景觀之一，無(wú)論是游戲場(chǎng)景還是真實(shí)場(chǎng)景的模擬當(dāng)中都是不可或缺的組成部分，因此在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展如此迅速的今天，云層的計(jì)算機(jī)模擬成為可能并且被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如三維游戲室外場(chǎng)景仿真、影視特效、氣象預(yù)報(bào)分析以及數(shù)據(jù)可視化等諸多行業(yè)。逼真的云層數(shù)據(jù)可視化可以很好地增強(qiáng)游戲場(chǎng)景的真實(shí)感，給游戲玩家以身臨其境的感覺(jué)，增加游戲的趣味性；滿足影視劇情的特殊需要，擺脫現(xiàn)實(shí)條件和拍攝成本的束縛，營(yíng)造真實(shí)壯觀的特殊效果；幫助氣象分析人員更加直觀地分析云層數(shù)據(jù)，進(jìn)而更好地掌握天氣變化的數(shù)據(jù)等。

由于大氣云層不規(guī)則和多變的特性，要得到非常逼真的效果還是比較困難，但正是由于其如此廣泛的應(yīng)用，才會(huì)有眾多的研究人員致力于云層數(shù)據(jù)的可視化研究，并取得了豐碩的成果。

3 海量云層數(shù)據(jù)的可視化研究方案

3.1 云層特征分析

云層作為大自然最常見(jiàn)的復(fù)雜景觀之一，是由許多細(xì)小的水滴或者冰晶組成，所以云層沒(méi)有固定的形狀，往往千姿百態(tài)，加上溫度和風(fēng)力等大氣環(huán)境參數(shù)的影響，云層會(huì)變幻莫測(cè)，并時(shí)常移動(dòng)，在日常生活當(dāng)中經(jīng)常可以看到。但是各式各樣的云又怎么來(lái)區(qū)分呢？從長(zhǎng)期的觀察和研究中發(fā)現(xiàn)，可以從形狀、紋理、顏色、暗影、輪廓和范圍六個(gè)方面來(lái)對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，因此整體上云層可以被分為兩種：

（1）積云。積云是塊狀云，又可以被劃分為卷積云、高積云和積雨云，呈蓬松狀，如同棉絮漂浮在空中；

（2）層云。層云是布滿天空的云，又可劃分為卷層云、高層云、雨層云和層積云，呈層狀，如同瓦狀覆蓋整個(gè)天空。

不同種類(lèi)的云層具有不同的特征，無(wú)論是從形狀、紋理還是顏色等方面，都可以進(jìn)行區(qū)分，而且不同的云層所在高度不同，所預(yù)示的氣象信息也不相同，要實(shí)現(xiàn)云層數(shù)據(jù)的可視化，就需要海量的云層數(shù)據(jù)來(lái)描述云層。

3.2 繪制方法分析

目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展迅速，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行海量云層數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)初具規(guī)模，主要有以下五種方法：

（1）光線追蹤。通過(guò)傳感器追蹤光線在云層中的傳播路徑以及傳播時(shí)間，利用光線直線傳播并可以進(jìn)行反射和折射的原理，計(jì)算分析得到關(guān)于云層的具體形態(tài)參數(shù)，比如厚度、濃度、濕度等，利用計(jì)算機(jī)對(duì)分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，進(jìn)而還原云層。此方法可以真實(shí)地再現(xiàn)云層，但是缺點(diǎn)就是計(jì)算量大，需要以海量的云層數(shù)據(jù)作為依托；

（2）基于體繪制方式。即利用OpenGL技術(shù)將三維云層切割成具有相似結(jié)構(gòu)的片元，對(duì)這些片元進(jìn)行渲染，然后進(jìn)行組合。此方法還原出的云層具有很高的逼真度，但是需要較大的緩存進(jìn)行渲染；

（3）基于三維映射的繪制方式。即在傳統(tǒng)的二維繪制的基礎(chǔ)上，將二維圖形進(jìn)行擴(kuò)展延伸，得到三維立體的云層。此方法操作性好，效果逼真，可以很好的實(shí)現(xiàn)云層數(shù)據(jù)的可視化；

（4）基于粒子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。針對(duì)云層由無(wú)數(shù)細(xì)小的水滴和冰晶組成、形狀不規(guī)則等特點(diǎn)，利用粒子系統(tǒng)，生成無(wú)數(shù)細(xì)小粒子，分析云層的大量相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)云層數(shù)據(jù)的可視化；

（5）基于分型技術(shù)繪制方式。利用二維星云圖擴(kuò)展成三維，生成仿真云層，實(shí)現(xiàn)云層數(shù)據(jù)的可視化。

以上是應(yīng)用比較多的五種云層數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)方法，雖然都可以取得比較好的可視化效果，但是每一種方法都有各自的局限性。大氣云層是非常復(fù)雜的，由于各種大氣環(huán)境參數(shù)的影響，使云層具有形狀不規(guī)則、變幻莫測(cè)，顏色和密度不一致等特點(diǎn)。雖然隨著科技的發(fā)展，氣象研究人員已經(jīng)掌握了大量的云層數(shù)據(jù)，但是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真建模還有一定困難：描述地過(guò)于精確、逼真，則需要計(jì)算機(jī)承受巨大的計(jì)算量；模型過(guò)于簡(jiǎn)單，則會(huì)失真比較嚴(yán)重。因此，本文在總結(jié)多種繪制方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合五種描述方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種利用OpenGL和OSG（Open Scene Graph）技術(shù)生成多個(gè)不同alpha值的點(diǎn)來(lái)模擬組成云層的小水滴，從而組合在一起實(shí)現(xiàn)海量云層數(shù)據(jù)的可視化，并利用粒子系統(tǒng)中粒子的消逝和生成過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)云層的云涌效果。

3.3 海量云層數(shù)據(jù)的可視化實(shí)現(xiàn)方案

3.3.1 方案思想

鑒于云層的形狀不規(guī)則和變幻莫測(cè)的特性，常規(guī)的方法進(jìn)行建模比較困難，而且不能真正實(shí)現(xiàn)云層數(shù)據(jù)的可視化，因此借鑒粒子系統(tǒng)的思想，利用OpenGL和OSG技術(shù)生成多個(gè)細(xì)小的點(diǎn)，模擬組成云層的小水滴，通過(guò)調(diào)整各種點(diǎn)的alpha值和粒子濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)云層不同濃度的調(diào)節(jié)。生成各個(gè)點(diǎn)需要建立粒子系統(tǒng)，首先需要明確粒子的數(shù)量和屬性，例如粒子的大小、位置和形狀等屬性的初始化，初始化方式應(yīng)該取決于不同的應(yīng)用要求。其中粒子的位置屬性應(yīng)該與紋理的屬性相關(guān)聯(lián)，紋理的三維坐標(biāo)實(shí)際上就是一個(gè)數(shù)組，是一個(gè)數(shù)組的索引，而粒子顏色的設(shè)置同樣是依靠如同紋理坐標(biāo)的方式來(lái)表示紅綠藍(lán)（Red，Green，Blue，RGB）三原色的分量設(shè)置。所以，粒子的各個(gè)屬性值和各個(gè)紋理具有相同的紋理坐標(biāo)。

接下來(lái)就是粒子的生成，通過(guò)對(duì)粒子的屬性分析了解到，實(shí)現(xiàn)粒子的繪制，應(yīng)該使紋理坐標(biāo)與粒子的坐標(biāo)按照編寫(xiě)環(huán)境的要求保持一致，所以要實(shí)現(xiàn)粒子頂點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)該使用渲染到定點(diǎn)緩沖區(qū)（Render to Vertex Buffer）的方法來(lái)減輕CPU的計(jì)算壓力。

組成云層的粒子屬性同粒子系統(tǒng)其他粒子的屬性是一樣的，包括大小、空間位置和形狀等參數(shù)，因此云層粒子的生成應(yīng)該先對(duì)其屬性進(jìn)行定義，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

對(duì)于粒子空間位置的初始化可以確定云層的空間位置以及形狀，對(duì)于粒子顏色和alpha值的初始化可以確定云層的顏色和濃度等，對(duì)于粒子各個(gè)屬性的定義，相應(yīng)地反映了云朵的物理指標(biāo)。

圖2 生成云朵效果圖

圖2為粒子系統(tǒng)生成粒子組成的云朵渲染效果圖。白色區(qū)域是粒子的聚集區(qū)域，灰色區(qū)域是粒子相對(duì)較少的區(qū)域，粒子濃度的大小可以達(dá)到相當(dāng)于調(diào)節(jié)云朵alpha值的效果。將整個(gè)空間隨機(jī)分布有少量粒子，模擬霧的效果，整體看上去使云朵籠罩在薄薄的云霧當(dāng)中，增強(qiáng)云層數(shù)據(jù)可視化的真實(shí)性。

現(xiàn)實(shí)中的云層是變幻莫測(cè)的，包括顏色的改變以及云層的移動(dòng)等。顏色變化可以通過(guò)調(diào)節(jié)alpha值和粒子濃度來(lái)調(diào)節(jié)，云層形狀的改變以及移動(dòng)可以依靠粒子群的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即粒子群各個(gè)粒子空間位置關(guān)系以及速度大小的改變，過(guò)程中涉及到粒子之間的碰撞以及粒子與周?chē)h(huán)境的相互作用，關(guān)系十分復(fù)雜。

而云層的移動(dòng)分為三種不同的情況，第一種是云層在受到周?chē)L(fēng)速的影響，發(fā)生整體緩慢移動(dòng)的情況，粒子系統(tǒng)通過(guò)賦予粒子群一個(gè)初始速度來(lái)實(shí)現(xiàn)云層在風(fēng)速影響下運(yùn)動(dòng)效果的可視化；

第二種是云層是由無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)小的水滴顆粒組成，在受到風(fēng)速影響發(fā)生移動(dòng)的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致云層形狀的改變，發(fā)生云層的擴(kuò)散或者疊加，粒子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)個(gè)別粒子群進(jìn)行不同方向上的速度賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)云層形狀改變或疊加效果的可視化，在疊加的過(guò)程中云層的濃度自然也會(huì)發(fā)生變化；

第三種是由于周?chē)髿猸h(huán)境參數(shù)的變化，比如溫度的變化可能會(huì)導(dǎo)致云層高度的改變，從而由于云層所受壓力的減小而使得云層膨脹或者所受壓力增大而壓縮。但是由于云層的高度變化是一個(gè)很緩慢的過(guò)程，所以云層體積的變化也是很緩慢的，為了減小CPU的運(yùn)算壓力，只需要等比例的改變?cè)茖拥捏w積即可，而不是再賦予各個(gè)粒子初速度。

最后，為了增強(qiáng)云層數(shù)據(jù)可視化的效果，將可視化的云層整個(gè)放置在一個(gè)充滿薄霧的區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)云層與天空背景的自然融合。

3.3.2 方案優(yōu)化

由于在海量云層數(shù)據(jù)可視化的過(guò)程中，云層都是由粒子系統(tǒng)生成的許多個(gè)細(xì)小的粒子組成，粒子都有著各自的屬性，是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，因此要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的云層數(shù)據(jù)可視化效果，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置的要求會(huì)比較高，而且系統(tǒng)應(yīng)該適應(yīng)多視角的觀察要求。為了減小計(jì)算機(jī)CPU的計(jì)算量，本文引入了LOD細(xì)節(jié)層次模型的概念。

LOD細(xì)節(jié)層次模型的概念是1976年由Clark提出的，Clark認(rèn)為當(dāng)物體覆蓋屏幕較小區(qū)域時(shí)，可以使用該物體描述較粗糙的模型，并給出一個(gè)用于可見(jiàn)面判定算法的幾何層次模型，以便對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行快速繪制。即在不影響畫(huà)面視覺(jué)效果的條件下，通過(guò)逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來(lái)減少場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。與原模型相比，每個(gè)模型均保留了一定層次的細(xì)節(jié)，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)選擇適當(dāng)?shù)膶哟文Ｐ蛠?lái)表示物體，可以大幅度減少CPU的運(yùn)算量，加快圖像的生成速度。因此，LOD技術(shù)被廣泛應(yīng)用在實(shí)時(shí)圖像通信、交互式可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、飛行模擬以及限時(shí)圖形繪制等多個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為關(guān)鍵技術(shù)。

LOD概念的提出最初是為了適應(yīng)虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)性高的要求，由于視覺(jué)距離的影響，不需要計(jì)算機(jī)對(duì)場(chǎng)景再進(jìn)行特別細(xì)致的繪制，這樣可以提高場(chǎng)景的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性。因此，在視角較遠(yuǎn)時(shí)，適當(dāng)?shù)亟档蛯?duì)某些云層的繪制精度，在不影響整體視覺(jué)效果的前提下，可以利用物理建模的方法繪制比較粗糙的云模型或者直接進(jìn)行二維的面片貼圖。

LOD概念的引入可以大大減小計(jì)算機(jī)CPU的運(yùn)算量，增加場(chǎng)景的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性，降低場(chǎng)景對(duì)于PC終端硬件配置的要求。

4 結(jié)論

主要研究了如何利用海量云層數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)云層數(shù)據(jù)的可視化方法，得到可以映射出基本大氣參數(shù)的云層分布，并在此基礎(chǔ)上引入LOD的概念，提高場(chǎng)景的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性。提出的方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)海量云層數(shù)據(jù)的可視化，可以真實(shí)、準(zhǔn)確地反映出大氣云層的參數(shù)分布，為海量云層數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化提供了真實(shí)可靠的操作方法。

云層作為復(fù)雜的自然景觀之一，本身包含了許多氣象信息，如何使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)行真實(shí)地可視化，使其包含更多地信息，如云層的真實(shí)厚度、寬度以及真實(shí)密度分布情況以及增強(qiáng)云層可視化的實(shí)時(shí)性是下一步研究的重點(diǎn)。

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