李新放, 劉海行, 周 林, 賈 貞, 宋轉(zhuǎn)玲

(國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島266061)

基于OpenSceneGraph的海洋環(huán)境三維可視化系統(tǒng)研究

李新放, 劉海行, 周 林, 賈 貞, 宋轉(zhuǎn)玲

(國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島266061)

為了研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在海洋環(huán)境三維可視化中的應用, 對大氣、海底地形、風浪流等數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行了分析整理, 運用場景裁剪、level of details(LOD)細節(jié)層次、場景動態(tài)調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)方法, 結(jié)合VisualPlanetBuilder (VPB)、ARCGIS多種數(shù)據(jù)處理工具, 在VC++和OSG2.8.7的可視化開發(fā)環(huán)境上,構(gòu)建了一個三維、動態(tài)、實時、可交互的海洋環(huán)境可視化模擬仿真系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以為海洋科學研究和工程建設(shè)提供一個更加便捷、直觀的可視化平臺。

虛擬現(xiàn)實; 海洋環(huán)境; 可視化

在全球陸地資源日益緊張和環(huán)境不斷惡化的今天, 世界各國紛紛將目光轉(zhuǎn)向海洋, 開發(fā)海洋資源,發(fā)展海洋經(jīng)濟成為沿海國家國民經(jīng)濟的重要支柱,伴隨著在海洋開發(fā)過程中人們?nèi)找娑鄻踊暮Ａ啃畔⑿枨? 原有的二維紙質(zhì)海圖、電子海圖提供的海洋環(huán)境信息已經(jīng)日漸不能滿足實際生產(chǎn)研究的需要?？焖?、高效的數(shù)據(jù)模型, 流暢、逼真的三維場景渲染方式, 日益成為海洋環(huán)境信息表達的一種趨勢。在海洋環(huán)境的三維可視化研究中, 海洋因其環(huán)境的復雜性和數(shù)據(jù)的難以獲取, 較之陸地更加難以模擬。目前,國外在海洋環(huán)境三維可視化的研究和應用方面較為成熟, Flavio等[1]對實時三維地形可視化中數(shù)據(jù)分析應用進行了研究, Wynne等[2]對分等級不規(guī)則三角網(wǎng)的三維高程表示進行了研究, Kofler等[3]對地形模型的大場景貼圖進行了研究。經(jīng)過長期應用和推廣, 形成了一系列可視化商業(yè)軟件, 如 Google Earth、Skyline、Cadsoft的 Envisioneer和 MaK Technologies的Army Command 2010等軟件。我國在海洋三維可視化方面的研究主要從20世紀末開始逐漸發(fā)展起來,任建武[4]等對海底地形及變化模型進行了研究; 肖如林等[5]對三維虛擬地球下的海洋信息原型適應性進行了分析與研究; 劉海行等[6]基于 IDL對海洋觀測航線斷面進行了分析研究; 徐敏等[7]對海洋大氣環(huán)境的多維動態(tài)可視化系統(tǒng)進行了研究; 蘇天赟等[8]對海底多源綜合數(shù)據(jù)的集成與管理進行了研究等。但是, 這些研究大多是針對小范圍、局部區(qū)域的海洋環(huán)境仿真分析建模, 缺少對全球海洋環(huán)境可視化進行宏觀的系統(tǒng)研究。

OpenSceneGraph(OSG)是一個基于工業(yè)圖形標準OpenGL的高層次API接口, 即三維可視化渲染引擎。它具有跨平臺的特性和較高的渲染性能, 程序員能夠通過它更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展, OSG已在三維地理信息系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計、科學與工程數(shù)據(jù)可視化、游戲與娛樂等多個行業(yè)得到廣泛應用。

本文通過研究OSG三維渲染引擎內(nèi)部結(jié)構(gòu), 利用 VC++開發(fā)平臺結(jié)合 OSG2.8.7開發(fā)包, 建立三維球體模型, 在地球模型上對現(xiàn)有海洋環(huán)境可視化產(chǎn)品進行宏觀展示, 并對現(xiàn)有高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖進行處理, 增強顯示效果, 最終構(gòu)建一個實時、高效、流暢、逼真的海洋環(huán)境三維仿真可視化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)描述

海洋環(huán)境三維可視化系統(tǒng)主要分以下層次: 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、可視化驅(qū)動層、應用實現(xiàn)層?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層主要對海底地形數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖、ARCGIS數(shù)據(jù)、獨立應用3DMax建立的模型等多類數(shù)據(jù)進行預處理, 構(gòu)建可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)背景場模型, 通過建立金字塔瓦片分級索引, 達到根據(jù)用戶不同的交互請求進行及時、快速的數(shù)據(jù)響應; 可視化驅(qū)動層主要通過 OSG三維渲染引擎對數(shù)據(jù)進行渲染、顯示, 為使用者提供一個實時、動態(tài)、三維可交互的立體環(huán)境; 應用實現(xiàn)層根據(jù)用戶的具體應用需求, 基于可視化驅(qū)動引擎, 提供專業(yè)可視化仿真模塊, 實現(xiàn)海洋環(huán)境要素在三維數(shù)字球體模型下的交互式漫游、動態(tài)加載、多視角動態(tài)瀏覽、交互拾取查詢等。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig. 1 System Architecture

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 場景裁減

裁減(Cull)就是“從大量事物中進行挑選、刪除”。對于一個龐大的三維系統(tǒng)而言, 往往存在大量無助于最終渲染結(jié)果的對象, 把它們從場景結(jié)構(gòu)中暫時剔除, 將剩余場景對象發(fā)送到OpenGL渲染管線, 即只把最終能夠被終端用戶看到的對象發(fā)送到渲染管線[10]。在系統(tǒng)設(shè)計中采用視錐體裁減方法, 包括近平面裁剪、遠平面裁剪、視錐體側(cè)面裁剪, 超出這一裁剪范圍的對象將被剔除出渲染隊列。

2.2 LOD細節(jié)層次節(jié)點

根據(jù)細節(jié)層次的思想, 在不影響渲染外觀的前提下, 系統(tǒng)根據(jù)場景對象與觀察者的距離, 模型越靠近觀察者越精細, 顯示范圍相對縮小, 以減輕系統(tǒng)繪制場景的負擔, 實現(xiàn)全球大范圍海底地形的動態(tài)、快速可視化仿真。LOD (level of details)節(jié)點調(diào)度流程如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度

采用視錐體裁減保證每幀中只有一部分數(shù)據(jù)被傳送到渲染管道, 而LOD的場景結(jié)構(gòu)犧牲一部分渲染質(zhì)量換取了效率的提升, 但這些都不能解決“在內(nèi)存中可能要存儲海量數(shù)據(jù)”這一問題——數(shù)百GB甚至TB級別的數(shù)據(jù)(如海底地形地貌)很難在現(xiàn)有的計算機硬件條件下全部載入內(nèi)存中。因此, 數(shù)據(jù)分頁(動態(tài)調(diào)度)尤為重要, 在顯示當前視域的同時, 判斷下一步可能要載入的數(shù)據(jù), 做出正確的加載和卸載處理, 確保內(nèi)存中始終維持有限的數(shù)據(jù)額度。在平臺驅(qū)動層中, 我們用osgDB::DatabasePager來完成這一工作, 主要功能實現(xiàn)流程如圖3(“頁面”指用戶視野范圍)所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 場景交互、漫游

實現(xiàn)三維場景的交互漫游, 主要就是通過矩陣運算, 在三維空間中實現(xiàn)視點變換、投影變換、視口轉(zhuǎn)換等一系列操作, 調(diào)整模型的位置姿態(tài), 最終轉(zhuǎn)換為屏幕像素輸出。場景的更新包括人機交互事件的整理與傳遞、動態(tài)數(shù)據(jù)的加載與管理、用戶自定義更新操作的執(zhí)行等。這些工作通過 osgViewer::ViewBase類來統(tǒng)一調(diào)配實現(xiàn), 根據(jù)用戶自定義操作的內(nèi)容不同, 場景更新的復雜程度亦不同。更新顯示階段的主要流程如下: (1)收集來自用戶事件隊列EventQueue的交互事件, 并進行整理。(2) 將事件傳遞給節(jié)點的時間回調(diào)(EventCallback)和視景器的事件處理器隊列(EventHandles)。(3)更新動態(tài)調(diào)度的數(shù)據(jù)。(4)根據(jù)漫游器(MatrixManipulator)位置, 調(diào)整場景中的相機。無論是用戶視角的變化、基于路徑的漫游或者其他用戶自定義的操作, 場景的顯示漫游過程主要是通過以上四個步驟來實現(xiàn)的。

圖2 LOD節(jié)點調(diào)度流程Fig. 2 The dynamic scheduling of level of details ( LOD) node

圖3 數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度實現(xiàn)流程Fig. 3 The dynamic scheduling realization of data

3.2 基礎(chǔ)場景三維球體模型建立

基礎(chǔ)地球模型的建立是實現(xiàn)宏觀海洋環(huán)境三維可視化的基礎(chǔ), 而海量海底地形背景場的三維建模是地球模型的重要組成部分?；A(chǔ)地球模型的建立主要是通過VPB來實現(xiàn)的, VisualPlanetBuilder(簡稱VPB)是一個強大的地形數(shù)據(jù)生成工具, 可以讀入多種類型的地理影像和高程數(shù)據(jù), 并構(gòu)建不同規(guī)模的分塊分頁地形數(shù)據(jù)庫。VPB與OpenSceneGraph緊密結(jié)合, 依賴于 Geospatial Data Abstraction Library(GDAL)庫和 LibSquish庫, 分別實現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)的識別和多種圖像壓縮格式, 它具備TB級別數(shù)據(jù)的處理能力, 并可以使用分布式文件系統(tǒng)來執(zhí)行并發(fā)的數(shù)據(jù)處理。

利用 VPB基于柵格高程數(shù)據(jù)構(gòu)建三維球體模型,對柵格高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行格式化處理, 并自動生成一個球模型。同時, 利用 VPB也可以批量處理多個高程數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù), 疊加高程模型。模型內(nèi)部依據(jù)不同的分辨率層次進行了金字塔分級, 能夠?qū)崿F(xiàn)不同精度、不同細節(jié)層次下模型的快速、分層調(diào)度。利用 VPB基于高程數(shù)據(jù)生成模型, 根據(jù)鼠標當前的位置垂直于屏幕發(fā)送一條射線與模型進行求交檢測, 得到與模型的交點, 讀取該點的高程信息,并換算出相應的經(jīng)緯度, 實現(xiàn)經(jīng)緯度與高程的實時查詢?nèi)鐖D4所示。

圖4 基于30 m分辨率柵格數(shù)據(jù)建立球體模型Fig. 4 The globe model based on raster data with a resolution of 30 m

3.3 基于三維球體的風浪流數(shù)據(jù)顯示

在建立的基礎(chǔ)場景三維球體模型的基礎(chǔ)上, 對大范圍的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行顯示, 通過研究OSG開源軟件OSG Earth中的數(shù)據(jù)格式, 編輯.earth文件, 實現(xiàn)在三維球體上宏觀展示海洋環(huán)境信息。以海洋環(huán)境溫度場信息產(chǎn)品顯示為例: 一般情況下,當需要把PNG, JPG等自身不具備坐標信息的產(chǎn)品投影到三維球體上顯示, 需要先應用 ARCGIS等專業(yè)軟件進行坐標轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換成具有相應坐標的GEOTIFF格式后, 再加載到三維球體上進行展示。由于現(xiàn)有的海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)量比較大, 而且具有定時的更新, 如果用專業(yè)軟件進行轉(zhuǎn)換具有很大的工作量, 考慮到這方面的原因, 我們采用XML語言編輯.earth文件, 對 PNG 數(shù)據(jù)(已知坐標范圍)通過GDAL庫在系統(tǒng)后臺直接進行轉(zhuǎn)換, 實現(xiàn)對海洋環(huán)境產(chǎn)品實時處理, 完成坐標投影轉(zhuǎn)換, 動態(tài)在三維球體上進行展示。應用 IDL生成全球的海水溫度場數(shù)據(jù)圖, 并通過 GDAL庫與 osgearth結(jié)合在球體上進行全球海水溫度場數(shù)據(jù)三維展示如圖5所示; 對基本earth格式文件的編輯如下:

圖5 全球海洋溫度場數(shù)據(jù)圖Fig. 5 The temperature chart of the whole globe ocean

3.4 矢量數(shù)據(jù)分層加載

為在系統(tǒng)中更加全面地展示海洋環(huán)境信息, 系統(tǒng)引入了 GIS數(shù)據(jù)層的概念, 實現(xiàn)在系統(tǒng)中動態(tài)連接多種類型的矢量數(shù)據(jù), 豐富海洋環(huán)境信息的表達,如可根據(jù)需要加入海岸線層、海島名海域注記層等。應用OSG提供的插件osgdb_shp直接讀取全球主要鐵路干線矢量數(shù)據(jù), 并把其作為一個單獨的圖層加載到三維球體上, 如圖6所示。在具體的操作中可以根據(jù)需要利用函數(shù) dynamic_cast(getUserData())獲取shp文件的屬性數(shù)據(jù)。

圖6 加載鐵路干網(wǎng)SHP數(shù)據(jù)Fig. 6 Load with the data of the globe SHP rail track

4 結(jié)語

本系統(tǒng)主要研究了利用OSG及相關(guān)開發(fā)包構(gòu)建三維球體模型, 并在模型上對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行宏觀展示, 對現(xiàn)有的高程、水深、衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)進行初步處理, 實現(xiàn)高程模型、云層等效果, 為以后的研究提供大的背景場環(huán)境, 為用戶提供一個直觀、動態(tài)、可交互的可視化瀏覽系統(tǒng)。目前系統(tǒng)還存在一些不足, 有待進一步完善。如海洋環(huán)境數(shù)據(jù)主要是依據(jù)觀測數(shù)據(jù)生成的海洋環(huán)境產(chǎn)品, 可考慮在以后直接讀取觀測數(shù)據(jù)進行處理并在三維球體上動態(tài)顯示; 在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上應用Activex等插件技術(shù), 實現(xiàn)海洋環(huán)境可視化系統(tǒng)的網(wǎng)絡發(fā)布; 針對目前衛(wèi)星云圖只是做了簡單的處理, 可以把體積云的概念引入系統(tǒng)提供逼真的效果等。

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A three-dimension visualization system of marine environment based on OpenSceneGraph

LI Xin-fang, LIU Hai-xing, ZHOU Lin, JIA Zhen, SONG Zhuan-ling
(First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

Jun., 23, 2011

virtual reality; marine environment; visualization

A study on the use of the virtual reality technology in three-dimension (3D) visualization of marine environment was carried on by analyzing and integrating the data of atmosphere, sea-floor relief, wind, wave and current. Methods, such as scene culling, level of details (LOD) and dispatch of dynamic scene, were used, and the data was processed and analyzed with tools including VisualPlanetBuilder (VPB) and ARCGIS. With Visual C++and OSG 2.8.7 graphics toolkit, a dynamic,interactive and real-time 3D visualized marine environment was constructed, which can be used as a convenient and direct 3D graphic tool for marine science research and engineering.

P76 文獻標識碼: A 文章編號: 1000-3096(2012)01-0054-05

2011-06-23;

2011-11-15

南海海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息服務平臺(2008AA09A401-05)

李新放(1983-), 男, 山東五蓮人, 碩士, 研究方向為海洋環(huán)境的三維模擬與可視化; 劉海行, 通信作者, 電話: 0532-88967412,E-mail: liuhx@fio.org.cn

劉珊珊)