体绘制技术在气象雷达中的研究与应用

2021-04-24彭勃

科学技术创新 2021年9期

彭勃

（江西省吉安县气象局，江西吉安343100）

体绘制技术是一种根据三维标量数据信息直接在计算机屏幕上的二维图像的三维可视化技术。天气雷达数据的特征是以雷达站为原点扫描360°获得的体扫描数据结构，结构上符合三维数据场。天气雷达数据与体绘制技术相结合，能够重建其真三维结构，便于专业气象人员的判读分析，提高天气监测与预测的准确性。因此本文针对体绘制技术的研究，进而与气象雷达三维可视化相结合，完成体绘制在气象雷达中的应用。

1 体绘制算法

体绘制的理论基础是物体对光照的吸收原理，在实现方式上，将数据集构建成一个三维体结构，单个标量数据当作一个单位体素，然后使用光照模型统计各个体素对二维屏幕上的贡献度，最终确定屏幕上每个像素的颜色值。

现如今主要的体绘制算法有：光线投射算法（Ray-Casting）、最大强度投影法（Maximum Intensity Projection）、错切-变形算法（Shear-Warp）、频域体绘制算法（Frequency Domain）和抛雪球算法（Splatting），其中以光线投射法和最大强度投影法较为通用[1]。

1.1 光线投影法

从视点投射出若干条光线，每条光线穿过体素。使用特点采样步长在一条光线上进行采样若干个体素值，每个体素值对应一个光照强度，最后根据每个体素值在这条光线上的贡献程度决定该点的像素值。其中采样步长决定生成图像的效率和精度，采样步长越大，图像精度越高，效率越低；采样步长越小，图像精度越低，效率越高。通过简单的实验调整可以实现二者的平衡。光线投影法使用透明度光照模型，对体素的强度值进行分类得到不透明度，通过Alpha 混合计算最终的颜色值。具体公式如下：

式中n 为采样步长，Cn为最终像素颜色值，Ai为每次采样时的不透明度大小。

光线投影法能够较好地展现不规则物体的内部层次细节，如云、雾、烟等，能够达到较好的模拟效果。

1.2 最大强度投影法

最大强度投影算法与光线投影法的采样步骤一致，唯一区别是将三维数据场内沿着视线方向上采样的最大值作为对应屏幕位置的像素值，医学上常用于CT 或MRI 图像的可视化[2]。最大强度投影算法的结果不具有深度信息和明暗信息，从而导致难以区分投影方向，消除这类错觉的通用办法是视角变化和动态显示。

2 天气雷达的体绘制研究

2.1 三维体数据模型

在三维空间数据模型的建立是三维可视化的基础，对三维图像的表达具有决定性的影响[3]。三维格网数据模型是针对天气雷达数据特点专门建立的数据模型，是将天气雷达体扫数据点按照规则的三维立方体网格排列，得到容易表达和计算的数据结构，可以在不同坐标系中进行转换和处理。根据体绘制的要求，需要将天气雷达数据构建成三维体数据结构。目前大部分天气雷达的扫描半径约460 公里，在不同仰角时扫描360°获取的体扫数据。通过插值方法可以得到规则的三维格网数据，本文采用水平方向上间隔1 公里插值，垂直方向上间隔1 公里获取40 层高度的数据，最终气象雷达数据的三维体结构维度为460*460*40，共计8464000 个体素单元。

2.2 体纹理

为了方便数据的存储和传输，需要将三维体数据模型转换成体纹理。纹理是一张简单的位图图片，用于为三维模型提供表面点的颜色值。体纹理即是三维纹理，是二维纹理的扩展表示形式。传统二维纹理只能表示两个维度的数据，因此本文通过垂直方向上切分40 张二维纹理，按照先后顺序存放在一张二维纹理，来表示体纹理。这种使用二维纹理来模拟体纹理的方法适用性好，无需考虑硬件条件。

当显卡硬件具有三维纹理的功能时，可以直接使用一个三维数组来表示体纹理，由于自带的三维纹理功能可以提供三线性插值等多种特性，视觉效果比二维纹理好，节省存储空间，如图1。

3 天气雷达的体绘制应用

随着互联网的迅猛发展，互联网应用已经在生活中无处不在。为了将气象事业的发展展现在更多的公众面前，气象与互联网的结合应用尤为重要。本文在气象雷达体绘制技术研究的基础上，将其应用到web 技术中，展现气象雷达体绘制技术在实际生活的应用。

3.1 WebGL 可视化技术

图1 气象雷达体数据的部分二维纹理

WebGL（Web Graphics Library）是一种3D 绘图协议，这种绘图技术标准允许把JavaScript 和OpenGL ES 2.0 结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0 的一个JavaScript 绑定，WebGL 可以为HTML5 Canvas 提供硬件3D 加速渲染，这样Web 开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D 场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化[4]。本文将在浏览器中利用WebGL 技术将气象雷达可视化技术应用到网络中。