第 27卷 第 4期
2007年 8月
气 象 科 学
SCIENTIA M ETEOROLOGICA SIN ICA
Vo1.27,NO.4
利用 IDL语言 实现对气 象数据 的体视化显 示
何全 军 曹 静
(广州气象 卫 星 地 面 站 广州 510640)
摘 要 介绍了体视化技术 、体数 据 的概 念 以及 科学 可 视化语 言 IDL的特 点 。对 以 IDL语
言为平 台开发的体可视化系统 的功能进行说 明,并 阐述 了体 可视 化 、切 割 、剖 面、等值面 等关键技
术 的实 现 。 最后 通过开发的可视化系统对一组压强场 数据 进 行 可视化处理给出体视化实例 。
关键词 IDI 气象数据 体数据 体视化
分 类 号 P409 文 献 标 识 码 B
引 言
体 视化 是科 学可 视化 的一 个重 要组 成部 分 ,是在 吸 收 图像处 理 、计 算 机 、视 觉 和 计 算 机 图形 学 等 学科 有
关知识的基础上发展 起来 的 ,已有 二 十多年的发 展历史。体视 化 的任务就是 揭示物体 内部 复 杂 的结构 ,使人
们 能 够看 到通 常情况 下所 看不 到 的物体 内部 结构 。通 过体 视化 技术 可 以将抽 象 的科学 数 据 以人 的视觉 能够
接 受 的形式 显示 在人 们 面前 ,便 于人们 的判 断分 析 。体视 化 技 术应 用 十分 广 泛 ,几 乎 涉及 自然 科 学 、工程 技
术中与空 间数据场有 关 的所有 领 域 ,如医学 、地震、地 质 、水文 、空 间物理、流 体力学 、计 算 机设计等 。
气象 系统 是一个 三 维空 间分布的时间 动态过程 ,传统的二维剖 面式 图形表达(如 常规的地面和 高空天气
图)远远不 能满 足气 象科 学 的需求 _】],气 象 资料 的三 维显示 已 成为一 个趋 势_2]。为 了在 三维 空 间 中进 行 气象
数据 的描 述和 分析 ,国内外研 究 部 门纷 纷 开 发 了新 的气 象 可 视 化 系统 ,国外 有 Vis5D_3]、MciDAS、Visual_】]
和基 于 Vis5D核心 的 D3Dl_4 等 ,国内有 PCVis5D、Micaps和 国家气象 中心基 于 AVS/Express平 台开 发 的气
象模 式三 维可视化 系统 _5 等 ,然而 这些可视化软 件 ,或者需要运行 于工作站平 台,难以普及 ;或者是 采用 了等
值面 、剖 面和矢 量场 粒子 流体 _6 表 达等 方法来 对气 象 数据 场 的信息进 行 描述 和分 析 ,难 以同时兼 顾 几何 形态
的描 述 和 内部 属性 的表 达 。
本文 以跨 平 台的计 算 机语 言 IDL为开发 环境 再进 行可 视化 系统 开 发 ,利用 体 视化 技 术 对三 维 规则 网格
数据 建立 真 三维体 模 型 ,基 于直 接体 视化 方法 进行 体绘 制 ,对体 素进行 彩 色渲染 和 透 明度处 理再 现气 象数 据
空间分 布特 征 ,还 可对体数据进 行切割来洞悉 体模型内部信息,使用 表 面 构造方法描述空间体的几 何 构 造 ,
并辅 以剖面方 式展 现 空 间体 的内部 信息 。
1 体视化 的概念
1.1 体视 化技 术
体视 化m (Volume Visualization)技 术 是真 正 的三维 可视化 技 术 ,主要 处 理 和分 析 各种 包 含物 体 内部信
息的体数据 ,并对这 些体数据进行 变换 、操 作 、物 体重建 和显示 ,其 目的是让人们 更清楚地认识 蕴含于体数据
之 中的复 杂结 构 。
对体 数据 进行显示 有两 种方法 ,一种是先 进行物体三维重 建 ,然后利用 计 算机 图形 学 的显示 技 术 对
重建 的 表面进 行显 示 ,这 种 方法 称 为 基 于 表 面 的显 示 (surfaced—based rendering)方 法 。另一 种 方 法 是 直 接
对体 数 据进行显示,称 之 为基于体素的显示(voxel—based rendering)或直接体现(direct volume rendering)方
法 。直 接体视化不同于传 统 的计 算 机 图形学 思想 ,不需要 构造任何中间件 ,而 是通 过 颜 色 、透明度以及 明暗
收稿 日期 :2005—12—16;修 改 稿 日期 :2006—03—12
第 一作 者简 介:何全军 (1978一),男 ,陕西风翔 ,硕 士 ,主要从事可视化 、卫星遥感 应 用 与 地 理信息系统开发 工 作
E—mail:hequanjunsx@ 163.corn
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第
27
卷第
4
期
2007
年
8
月
气象科学
SCIENTIA
METEOROLOGICA
SINICA
Vo
l.
27 ,
No.4
Aug.
, 2007
利用
IDL
语言实现对气象数据的体视化显示
引
何全军曹静
(广州气象卫星地面站广州
510640)
摘 要
介绍了体视化技术、体数据的概念以及科学可视化语言
IOL
的特点。对以
IOL
语
言为平台开发的体可视化系统的功能进行说明,并阐述了体可视化、切割、剖面、等值面等关键技
术的实现。最后通过开发的可视化系统对→组压强场数据进行可视化处理给出体视化实例。
关键词
IOL
气象数据体数据体视化
分类号
P409
文献标识码
B
体视化是科学可视化的一个重要组成部分,是在吸收图像处理、计算机、视觉和计算机图形学等学科有
关知识的基础上发展起来的,已有二十多年的发展历史。体视化的任务就是揭示物体内部复杂的结构,使人
们能够看到通常情况下所看不到的物体内部结构。通过体视化技术可以将抽象的科学数据以人的视觉能够
接受的形式显示在人们面前,便于人们的判断分析。体视化技术应用十分广泛,几乎涉及自然科学、工程技
术中与空间数据场有关的所有领域,如医学、地震、地质、水文、空间物理、流体力学、计算机设计等。
气象系统是一个三维空间分布的时间动态过程,传统的二维剖面式图形表达(如常规的地面和高空天气
图)远远不能满足气象科学的需求
[IJ
气象资料的三维显示已成为一个趋势
[2J
。为了在三维空间中进行气象
数据的描述和分析,国内外研究部门纷纷开发了新的气象可视化系统,国外有
Vis5D[3J
、
MciDAS
、
Visual[IJ
和基于
Vis5D
核心的
D3D[4J
等,国内有
PCVis5D
、
Micaps
和国家气象中心基于
A
VS/Express
平台开发的气
象模式三维可视化系统町等,然而这些可视化软件,或者需要运行于工作站平台,难以普及;或者是采用了等
值面、剖面和矢量场粒子流体
[6J
表达等方法来对气象数据场的信息进行描述和分析,难以同时兼顾几何形态
的描述和内部属性的表达。
本文以跨平台的计算机语言
IDL
为开发环境再进行可视化系统开发,利用体视化技术对三维规则网格
数据建立真三维体模型,基于直接体视化方法进行体绘制,对体素进行彩色渲染和透明度处理再现气象数据
空间分布特征,还可对体数据进行切割来洞悉体模型内部信息,使用表面构造方法描述空间体的几何构造,
并辅以剖面方式展现空间体的内部信息。
1
体视化的概念
1. 1
体视化技术
体视化
[7J
(Volume
Visualization)
技术是真正的三维可视化技术,主要处理和分析各种包含物体内部信
息的体数据,并对这些体数据进行变换、操作、物体重建和显示,其目的是让人们更清楚地认识蕴含于体数据
之中的复杂结构。
对体数据进行显示有两种方法[7
.8J
一种是先进行物体三维重建,然后利用计算机图形学的显示技术对
重建的表面进行显示,这种方法称为基于表面的显示
(surfaced-based
rendering)
方法。另一种方法是直接
对体数据进行显示,称之为基于体素的显示
(voxel-based
rendering)
或直接体现
(direct
volume
rendering)
方
法。直接体视化不同于传统的计算机图形学思想,不需要构造任何中间件,而是通过颜色、透明度以及明暗
收稿日期
:2005-12-16;
修改稿日期:
2006-03-12
第
-i'
乍看简介:何全军(1
978-)
.男,陕西凤翔,硕士,主要从事可视化、卫星遥感应用与地理信息系统开发工作
E-mail:
hequanjunsx@163.com