（生物医学工程专业论文）石油勘探开发中的数据场可视化技术的研究.pdf

浙江大学硕士研究生学位论文 关键词】石油勘探三维数据场可视化直接体绘制光线投射法 i i 浙江大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t p e t r o l e u me x p l o r a t i o , na n de x p l o i t a t i o ni s a l l i m p o r t a n tp a r t o ft h ep e t r o l e u m i n d u s t r y i td i r e c t l yd e c i d e st h eo i lo l l t p u to fo u rc o u n t r y i nt h ep r o c e s so fo i l e x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o n ，ag r e a td e a lo f d a t a c a l lb ec o l l e c t e d t h e s ed a t af o r m3 d d a t as e t s ，f o ri n s t a n c e ，d e n s i t ys e t s ，h o l ed e g r e e ，a n df l o ws e t so fh i g h - p r e s s u r es h o o ti n o n eb l o c k a tp r e s e n t , t h eu s u a la d o p t i n gm e t h o di st od r a wi s o c l i n e so f d a t as e t s ，a n da s k t h ec a r e e rm e nt oa n a l y z ea n de x p l a i nt h e m 。b u tb e c a u s ei s o c l i n e sa r e2 d ，t h e yc a n t f o r ma ni n t u i t i v e ，c l e a rc o n c e p t u s i n gv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y3 dd a t as e t s v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sq u i t ea 1 1 a b r o a da p p l i c a t i o nf o r e 觯u n d i np e t r o l e u m e x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o n m e a n w h i l e3 d d a t as e t sv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yc a l la l s o w i d e l ya p p l y t om e d i c i n ei m a g ef i e l d ，m e t e o m l o g yf i e l d ，e t c r a y - c a s t i n ga l g o r i t h m a s s u m e st h a t3 d s p a c ed a t af | 。y j ，z 0d i s t r i b u t e so n t h e d o t so fe v e no rf o r m u l ar e s e a t t h ep r e t r e a t m e n ti nc o u r 瓣o fa l g o r i t h mi n c l u d e st h e _ f l l 珏c i o no f t r a n s f o r m i n go f o r i g i n a ld a t a , e l i m i n a t i n gu n w a n t e dd a t aa n de d u c i n gn e e d e d 峨e t c t h e n t oc l a s s i f yt h ed a t a , w h o s ea i mi st oc l a s s i f yt h e ma c c o r d i n gt od a t av a l u e d i f f e r e n c e s ，a n dt op u td i f f e r e n tc o l o rv a l u e sa n do p a e i t yd e g r e ev a l u e st oe v e r yc l a s si n o r d e rt os h o wd i f f e r e n td i s t r i b u t i o n so fm u l t i - m a t t e ro rd i f f e r e n tp r o p e r t i e so fas i n g l e m a t t ec o r r e c t l y r e s a m p l i n gi st h a te v e r yi m a g ee l e m e n ti nt h es c r e e ng i v e so f fo n er a y a c c o r d i n gt ot h ep l a n n e do b s e r v i n g o r i e n t a t i o n 。t h i sr a yp e n e t r a t e s3 dd a t as e t s ，a n d 幻 c h o o s e sk s a m p l i n g d o t so f e q u i d i s t a n c ea l o n gw i t hi t ，a n dd o e st h r e el i n e a ri n s e r tv a l u e s a c c o r d i n g oc o l o ra n do p a c 毋v a l u e so fe i g h td a t ad o t st h a tm o s t l yc l o s et oc e r t a i n s a m p l i n gd o t ，t h e ne v a l u a t et h eo p a c i t yv a l u ea n dc o l o rv a l u eo fi t f i n a l l yc o m p o s e t h e i m a g e t h a ti sc o m p o s i n gc o l o rv a l u ea n do p a c i t yv a l u eo f e v e r ys a m p l i n gd o to ne v e r y r a ya c c o r d i n g t of r o n t - b a c ko rb a c k - f r o n t ，s ot h ec o l o rv a l u eo f t h ei m a g ed o tt h a tg i v e s o f f t h e r a y c a r lb eg a i n e d t h ea r t i c l ea p p l i e s3 dd a t as e t sv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u et ot h eg e o l o g i c a lm o d e l i n g a n dn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o ni nc o u r s eo f p e t r o l e u me x p l o r a t i o na n d e x p l o i t a t i o n f i r s t , 1 1 1 f i 江大学删十研究生学位论文 w er e s e a r c h3 dd a t as e t st h a tf o r m e dd u r i n gp e t r o l e u me x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o n & d i r e c tv o l u m er e n d e r i n gt e c h n i q u ei n3 dd a t as e t sv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e ，a n da p p l y d i r e c tv o l u m er e n d e r i n gt e c h n i q u et ot h i sf i e l dt oa c h i e v eab e t t e re f f e c t i tr e a p p e a r s o i l d i s t r i b u t i o n sa n dp a r a m e t e rd y n a m i cc h a n g ei m u i t i v e l ya n dt r u l yi nc o u r s eo fp e t r o l e u m e x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o n ，a n da s s i s t a n tt h ew o r k i n gp e r s o n n e lo f t h ec e r t a i nf i e l dt o a n a l y z e a n d d e s i g n ，h a v i n g w i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d a p p l y i n gr a y c a s t i n g a l g o r i t t u n o fv o l u m e r e n d e r i n g t ot h e g e o l o g i c a l d a t a p r o d u c e db yp e t r o l e u m e x p l o r a t i o n a n de x p l o i t a t i o nc a n d i r e c t l yr e a p p e a r t h e p e t r o l e u m s s t a t u si n o i l g a s s t o r a g e ，a n dd i r e c tt h ed e s i g n e r s t om a k es t t r eo ft h ew e l l s l o c a t i o n sa n dt op r o c e s s e so f o i le x t r a c t i o nt e c h n i q u e si no i l e x p l o i t a t i o n ，i n o r d e rt or a i s et h e p r o f i t o ft h eo i l p r o d u c t i o n ， ( k e y w o r d 】p e t r o l e u me x p l o r a t i o n a n de x p l o i t ，3 dd a t as e t s ，v i s u a l i z a t i o n ，d i r e c t v o l u m e r e m e r i n g ，r a y c a s t i n g 浙江大学硕士研究生学位论文 第一章前言 图形是描述客观事物空间位置、几何形状和形态的一种有利手段，这种 手段比语言、文字或数据更具有直观、形象、易于理解的特点，是人们信息 交换过程中的一种重要的、不可缺少的工具。随着计算机硬件( c p u 、专用 图形加速卡等) 、软件( 采用高效率的算法) 的飞速发展，计算机图形学的 内容得以不断丰富和完善。 针对图形对象而言，计算机图形学经历着从二维到三维、再到三维数据 场可视化的一个发展历程。三维数据场可视化图形中包含有大量的信息，是 现实物体的虚拟，是计算机图形学研究和发展的一个重要方向。 目前的三维数据场可视化技术主要应用在3 d 动画及三维影视的创作、 计算机辅助设计与制作( c a d c a m - - - - c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e r a i d e d m a k e ) 等方面。科学计算可视化的可应用领域十分广泛，几乎涉及 自然科学及工程技术的一切领域，主要应用领域为医学、地质勘探、气象学、 分子模型构造、计算流体力学和有限元分析等。 三维实体的形态有规则和不规则之分，石油地质中的形体大多不规则， 即不能采用欧氏几何的方法来描述。 三维实体造型是先在计算机上构造出它的模型( 建模) ，再采用合适的 数据结构，将它用一批数据及相互之间的拓扑关系表示出来的技术。而在石 油地质中描述的实体大多位于地下，不可能事先知道它的形态，必须先对大 量的相关数据进行处理和计算，然后再通过软件绘制出其形态。 根据石油地质行业的特点及需要，用计算机构造其实体时，不仅要虚实 结合，对其中的某些形态进行消隐、透明等处理；还要动静结合，即以动画 形式表示一些体素要素，如井身轨迹、油气运移等。 石油地质是计算机图形学的主要应用领域之一。通过对石油地质中的三 维数据场可视化技术的研究，既能推动石油地质行业的发展，又可以促进计 算机图形学，尤其是三维数据场可视化技术的进一步完善。 本文是将三维数据场可视化技术应用到石油勘探开发过程中的地质建 浙江大学硕士研究生学位论文 模和数值模拟之中。先研究了石油勘探开发过程中形成的三维数据场以及三 维数据场可视化技术中的直接体绘制技术，把直接体绘制技术应用到该领域 中达到了较好的效果，直观、准确地再现了油藏分布以及石油开发过程中的 参数的动态变化，辅助相关领域工作人员的分析、设计，具有广泛应用前景。 2 浙江大学硕士研究生学位论文 第二章可视化技术的现状 在石油勘探、开发过程中，会采集到大量的数据，形成三维数据场，如 某一区块的密度场、孔隙度场、高压射流的流场，目前使用这些数据时，通 常采用的方法是画出数据场的等值线，然后由专业人员进行分析，解释。但 是由于等值线是二维的，不能形成一个直观的、清晰的概念，同时浪费了大 量的信息。利用可视化技术，尤其是三维数据场可视化技术，可以从大量的 地震勘探数据或测井数据中构造出三维实体，显示参数，使专业人员可以对 原始数据做出正确的解释。同时三维数据场的可视化技术也广泛地应用于医 学影像学、气象学、计算流体力学、有限元分析、计算物理学、计算化学等 ， 领域。 2 1 科学计算可视化及其意义 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p m i n g 简称s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) 是发达国家2 0 世纪8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的 研究领域。 科学计算可视化指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算 过程中及计算结果的数据转化为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互 处理的理论、方法和技术。随着技术的发展，科学计算可视化的含义已经大 大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，也包括工程计算数据的可视化 和测量数据的可视化。 科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术结合在 一起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解送入 计算机的图像数据。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、 浙江大学碳士研究生学位沧定 诗冀撬撬懿殿人穰交互技术等慝令领域。 近年来。随赭科学技术的迅猛发展，待处理的数据量越米越大，加上近 牮寒计算瓿瓣毒 冀毙力逡逮提巍，飘 掰，运用诗舞瓤黧影学藏强缳怒理技垮 澎象、壹髓域显舔秘学计簿戆中间缎豢及最终络桨成为露能。 实现葺i 学计募的可视他具有多方蕊的意义。像可以大大加快数据的处理 邃度，使露麓每毽每器章帮在产生静庞大数据褥戮露效匏羁嗣；它霹蠢猩人与 数掇、入每天之润实臻黼豫逶镓，憨不仅仅楚瓣游豹支字逶馈或数字逶髂； 扶露可傻人熟戏察型嫠统熬鼓掌圣卡冀中发生了囊。么凝象，藏强发现秘璎瓣晕墨 学计算过稷中各种现象的有力工具；它还可以使人们对计算谶程实现弓f 导和 按餐，逶邀交互等袋竣嶷诗募袋莜撵鹣条箨并溪黎其影蘸。慈之，科攀诗箨 胃褪纯将缀太逢撬嵩科学诗算戆速度秘质量，实糯苇季学计算王其和环境瓣遴 j 步现代化，从而使科举研究工作的面貌发生根本性的变化。 2 。2 兰维空阀数据场可视化的基本流程 暴警兰绫空阕鼗箨熬类墅务不攘毽，数豢分卷及连接美鬃夔差裂穗缀 火，但是熬可视化的基本流程却大致相同。图2 2 1 表示出量维空间数据场 磷褪讫静凡个主簧步骤。 其孛，煞步是数撬生成，鼯可杰诗算瓿数德模擞绫溺囊仪器产生数掇。 计算机数僦模拟的结果澎成数据文件，文件格式幽科学计算工作者来定义， 溪霭它是嚣钧黪，可戮秘：较方黉缝输入诗篓掇。 滚程巾瓣第二步是数援的糟炼露她理。露为瘦用对象的不同，这一步蛇 功能也会嚣举楣网。对予数据量过丈豹簌始数据，需要加以燧炼和选撵，以 遁警减少数攒量；籀反媳+ 当数据分礤过于稀巯褥脊可能影稍霹褫仡效果时， 鬻要进行程数戆攒值处遴。 4 浙江大学硕士研究生学位论文 数据生成 l数据精炼与处理 ，- 可视化映射 i 绘制 f i 显示 i ll 图2 2 1 三维空间数据场可视化流程 流程中的第三步是可视化映射，这是整个流程的核心。其含义是，将经 过处理的原始数据转化为可供绘制的几何图素和属性。这里，“映射”的含 义包括可视化方案的设计，即需要决定在最后的图案中应该看到什么，又如 何将其表现出来。也就是说，如何用形状、光亮度、颜色以及其他属性表示 出原始数据中人们感兴趣的性质和特点。 在流程中的第四步，将第三步产生的几何图素和属性转化为可供显示的 图像。所用的方法是计算机图形学中的基本技术，包括视见变换、光照计算、 隐藏面消除以及扫描变换等。 流程中的最后一步是图像变换和显示。包括图像的几何变换、图像压缩、 颜色量化、图像格式转换以及图像的动态输出等。 浙江大学硕士研究生学位论文 2 3 数据场 针对各个应用领域，形成的数据场的数据类型有所不同，有三种不同类 型的数据需要实现可视化，分别为标量场、矢量场和张量场。 标量场是指可以用一个不依赖于坐标系的数字表征其性质的量，如密 度、质量等，标量没有方向。矢量场是指需要用不依赖于坐标系的数字及方 向表征其性质的量，如流速、位移等。张量场是矢量场的推广，主要用于计 算流体动力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 一一用以表示流体微团 的微观变化和有限元分析。 由于产生数据的方式不同，三维数据场的数据分布和连接关系各不相 同，总体来讲可分为三大类：结构化数据、非结构化数据和散乱数据。 结构化数据是指在逻辑上组织成三维数组的空间离散数据，即这些空间 离散数据的各个元素具有三维数组各元素之间的逻辑关系每个元素都有它 自己所在的层号、行号、列号。 结构化数据又分为笛卡尔网格( 即均匀网格) 、规则网格、矩形网格和 不规则网格。均匀网格结构化数据是均匀地分布在三维网格点上，即在x ， y ，z 三个方向上，网格点之间的距离均相等，因此无需给出各数据点的空间 位置，只要给出三维网格某一角点的空间位置和某一数据点的序号，即可根 据网格间距所对应的距离求出该点的空间位置。规则网格结构化数据在由长 方体组成的三维网格点上，即在x ，y ，z 三个方向上，网格点之间的距离互 不相等，但在同一方向上则是相等的。矩形网格结构化数据分布在由长方形 组成的三维网格点上，但是，长方形的大小可以各不相同，并无规律可循。 不规则网格结构化数据在逻辑上仍然被组织成三维数组，但是在空间位置的 分布上却无规律可循。 非结构化数据是指数据空间是由一系列的单元组成，但是，这些单元不 6 浙江大学硕士研究生学位论文 麓缀成三维数组。在它静数据结构里，必须绘积每个数据点静空闻佼嚣及其 楣曩闻的连接关系。 2 。4 两类不网鳇兰维空阀数撼场可视亿算法 第一种算法翁先由三维空间数据场构造出中间几何圈元( 如益衡、平面 等) ，然菇罨由传统的诗簿极图形学搜零实璎藏嚣绘露l 。中闼几侮鹫嚣静生 成过程可以看作怒上述可视化流程中的第三步一映射，这时的映射只能将原 始数据中都分属饿映射成平面躐曲面。函而，这种方法构造出的可视化图形 不翡反映熬个羼娥数擐场戆全貔及缨节。徨是，可以产生毙较滤敷静嚣僮嚣 图像，而飘可以利用现有的图形硬件实现绘制功能，使图形生成及变换的速 度加快，闲而是一种常粥的可视亿算法： 第二耱葵法与第一秘算法完全不同。宅并苓构造孛阕足袋图元，嚣是妻 接由三维数据场产生屏幕上的= 维图像，称为体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ) 算法，或称为直接体绘制( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) 。这是近年来得以迅速 发矮粒一耱三维数据场霹援化篓法。这糖霎法髓产袋三维数摄场懿熬薄墅 像，包括每一个细节，并且具有图像质爨高、便于并行处理等优点。其主要 问蹶是，计算量很大，且难以利用传统的图形硬件实现绘制，因而计簿时间 较妖。 2 5 壹接体绘制技术 目前，三维空间数据场可视化技术主要有邕接体绘制技术( d i r e c tv o l u m e r e n d e r i n g ，d v r ) 鞫三维袭覆攒会( t h r e e d i m e n s i o n a ls u r f a c e f i t t i n g ，t d s f ) 。 其中直接体绘制技术主要有光线投射体绘制技术( r a y - c a s t i n gm e t h o d ) ，物 体空间扫描体绘制技术；其代袭算法怒光线投射法、足迹袭法( f o o t p r i n t 7 浙江大学硕士研究生学位论文 m e t h o d ) 、体元投射法和子区域投射法。这些算法直接把三维数据场中的信 息( 如颜色、速度、密度、强度、透明度、孔隙度等) 经过变换映射成为屏 幕上的图形、图像，不需要几何图元作为中介。 。 光线投射体绘制技术( 其中m l e v o y 提出光线投射算法r a y c a s t i n g ) 要求从屏幕上的每一个象素点根据设定的观察方向都发出一条射线，这条射 线穿过三维数据场，然后在射线与物体相交的区间采样，通过线性插值，求 出该采样点的不透明度值及颜色值，最后求光亮度，需要大量的计算。而且 在这个过程中，为了消除采样一一重构过程中的走样现象，要滤掉原图中的 高频部分，在空域中使用卷积来完成。 但此时容易引起图像模糊，经过分析，调整了采样和光强计算的次序， 得到较好的效果。【唐泽圣9 4 】 针对光线投射体绘制需要大量计算，速度较慢的问题，近几年提出了几 种改苦方法。 面向具体领域的应用，分析领域内数据的特点和领域内对可视化效果的 要求，提出了数据分片，然后在片上采样的思想，简化光照效应计算，使用 颜色来代替，同时充分发挥现有的平台优势，加快了运算速度。【黄文静9 8 】 通过对光强度计算中的插值算法的分析，在假设体元内部在射线方向上 光强变化是线性的前提下，提出使用射线与体元前后交点的二次线性插值来 替代原来的三次线性插值的思想，经实验证明能够保证显示效果。 针对三维不规则数据场，体绘制采用光线投射法需要解决的最大问题是 如何确定光线在数据场中的路径。对于规则数据场，由于网格结构简单，排 列规则，可采用很多方法快速实现。而对于不规则数据场，由于很难利用网 格单元自身的结构特点和排列规律，以致存在大量的求交测试，因此极大地 降低了算法的速度及处理能力。不少工作仅仅采用传统的图形学方法，如 z b u f f e r 等，都难以有效地解决问题。g a r r i t y 提出了一种较为有效的方法， 他首先把数据单元面在一个三维规则网格中排序，通过三维规则网格找到和 s 浙江大学硕士研究生学位论文 光线相交的第一个数据单元面，以后通过计算光线在各个数据单元体中的进 入面和离开面来确定光线的路径。g a r r i t y 的算法已经包含了通过空间分割确 定光线路径的思想。但是他的算法只适用于凸多面体网格单元，并且也没有 给出如何最有效地进行空间分割及表示的方法。【g a r r i t ym p9 0 】 针对g a r r i t y 的算法的改进方法，主要是利用空间分割的思想，对数据 场用规则立方体进行再次划分，建立一个单元立方体大小合适并基于八叉树 表示的三维立方结构作为计算光线投射路径的“桥梁”，并记录下穿过各单 元立方体的数据单元面。以后再利用这些三维立方结构快速求出光线路径上 的单元立方体，这样，求交测试仅仅对极少数穿过这些单元立方体的数据单 元面进行，极大地降低了求交测试的次数，加快了算法运算速度。f 董峰 9 7 】 ， 由于光线投射方法忽略了数据的各种相关性，如面相关性、象素相关性 等，使其在一般情况下难以奏效。结合相关性对非规则数据场体绘制的改进 算法，是结合了光线投射方法排序简单、投影方法可以利用相关性求交的特 点情况下，以合理的存储要求，将图像空间分割成小子空间；利用体元间相 邻关系，求得子空间内所有体元，并建立它们的基本可见性次序。经过分析， 通过图像平面上相邻象素向数据场投射光线，它们可能同时交于同一体元的 同一面，同时，在相邻光线上体元的前后次序具有相似性，称这种性质为象 素相关性。由于这种象素相关性，所以使用扫描转换方法来求交，在求得一 根光线上体元的前后次序后，以之作为相邻光线上体元的基本次序，适当进 行调整，得到最后正确的次序。做数据场插值，在各光线上排序交点和合成 效果，完成体绘制。 任继成9 8 】 为了解决重采样和颜色合成的速度问题，结合使用并行虚拟机进行并行 计算的算法也提出来了。该算法基于二维切片进行数据及任务划分，保证了 子任务的数据局部性，在整个系统中存储、传输的数据避免了冗余。与基于 图像块划分的算法相比，该算法对通信信道的要求很低，尤其适用于绘制大 9 浙江大学硕士研究生学位论文 规模体数据。该算法动态地维护一个数据库，记录各主机的计算和存储性能 指数，任务划分和数据分配是依据不同主机的性能指数，以自适应的形式进 行的。因此，即使是在由异构主机构成的虚拟机环境中，该算法也可以较好 地实现负载平衡。为了将各主机并行生成的局部图像合并成最终图像，采用 了一种异步二分合并的策略。该策略灵活、实用，同时，其计算复杂度也得 到优化。n 幅局部图像可以在0 ( 1 0 9 2 n ) 的时间内完成合并。 这种算法分为两个阶段：( 1 ) 由各服务线程分别绘制，得到若干局部图 像；( 2 ) 所有局部图像经过合成，得到最终结果。这两个阶段都是以并行化 方式进行的。原始体数据以切片簇( p i l e ) 为单位进行划分，每一簇由若干 相邻的二维切片组成，作为一个子任务指派给某个服务线程。只要服务线程 接收的各簇也是相邻的，数据的局部性就可以保证，所以，在绘制阶段，服 ， 务线程之间不需要进行任何通信。本地客户进程对各服务线程的任务分配是 按递增方式进行的。各服务线程不断循环，依次计算增加的各个数据切片； 它们各自维护一个局部图像缓冲，在新的切片计算完成之后，进行相应的更 新。在没有子任务剩余时，本地客户进程会通知所有服务线程开始合并图像。 该阶段也是并行实现的，各服务线程之间的通信在这个阶段才出现。局部图 像在传输之前都经过了压缩；当被接收后，再被解压缩。【邓俊辉o o 1 0 浙江大学硕士研究生学位论文 2 6 国内外科学计算可视化的现状 2 6 1 可视化的硬件 三维可视化计算机的问世，使得可视化技术如虎添翼。s i l i c o ng r a p h i c s i n c 公司推出的s g i i n d i g or 4 0 0 0 是一个优秀的三维可视化计算机，它为 可视化硬件的设计提供了标准。交互的三维图形、对称多处理和高性能的系 统结构、数字媒体能力及r i s c ( r i s ki n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令系 统计算机) 微处理器等关键技术构成s g i i n d i g o r 4 0 0 0 的基础。 r i s c 微处理器是由s i l i c o ng r a p h i c s 公司的子公司m i p s t e c h n o l o g i e s 有限公司制造的。它是可视化计算机硬件系统的核心，它具有 代码优化功能。它通过集中功能对在计算机译码和执行的命令中占大多数的 小型、简单的指令系统进行快速有效地处理。 2 6 2 可视化的研究 近1 0 年来，在美国、德国、日本等发达国家的著名大学、国家实验室 及大公司中，科学计算可视化的研究工作及应用实验十分活跃。其技术水平 正在从后处理向实时跟踪和交互控制发展，并且已经将超级计算机、光纤高 速网、高性能图形工作站及虚拟现实四者结合起来，体现出这领域技术发 展的重要方向。 发达国家在科学计算可视化方面比较著名的研究成果有可见人体 ( v i s i b l eh u m a n ) 、人体胚胎的可视化、分布式虚拟风洞( d i s t r i b u t e dv i r t u a l w i n dt u n n e l ) 、大气及流体可视化软件( p a t h f i n d e r ) 、狗心脏c t 数据的动 态显示、燃烧过程动态模型的可视化等。 随着科学技术的发展，现代医疗设备可以帮助医生不通过手术就能够对 1 i 浙江大学硕士研究生学位论文 患者的内部器官或组织病变做出诊断。m r ( m a g n e t i cr e s o n a n c e ) 和c t ( c o m p u t e d t o m o g r a p h y ) 可以产生出代表人体内部器官信息的数据。这样医 生就可以在自己的脑中将病人的病灶信息构造出来，从而可以对病人的情况 做出诊断。但是这些数据往往不是以连续的三维形式给出的，他们形成的只 是系列的组织或器官的断面，因此只有经验丰富的医生才能够正确的重构 出病人的内部器官和组织。这给诊断带来很大的主观性。 、 运用可视化技术可以基于上述二维序列直接重构出三维图形，从而清晰 地显示出人体器官和组织的复杂特征和整个空间定位关系，有助于医生做出 正确的诊断。等值面绘制方法是将c t 等设备采集到的三维数据场进行处理 构造出等值面，能够清楚的显示出组织间的分界面，有助于医生构想出精确 的组织形态的形状。但是，这种面绘制方法只关注于分界面，忽略了组织内 ， 部丰富的细节无法形成对病灶的整体理解。在实际应用中，医生为了发现、 观察病灶经常需要花费大量的时间调整等值面的取值范围。另外，这种面绘 制方法在面的构造过程中经常丢失大量的细节，使得生成的图像过于光滑， 保真性较差，容易干扰医生做出正确的判断。 直接体绘制技术( 简称体绘制) 的出现解决了上述问题。体绘制把体目 标( 或体对象) 直接看作体素的集合，不需要面、线等几何造型，因而保留 了丰富的细节，保真性大为提高：体绘制把体目标( 或体对象) 看作是一个 具有透明性的物体，所以在投影图像中既可以观察到各个组织的表面，又能 够透过表面观察到组织的内部细节，因而有助于医生形成对病灶的整体理 解。体绘制的这些特征克服了面绘制中只关注表面、保真性差的弱点，有利 于医生在临床实践中做出正确的诊断和有效的治疗。但是，计算量庞大是体 绘制算法的一个突出的弱点。为了保证软件的交互性就要求运行程序的机器 有很强的计算能力和较大的内存，这极大的限制了体绘制算法的应用。所以 对于体绘制算法的研究除了要保证有效的图像的生成，还有一个很重要的方 面就是考虑到如何使用一些加速算法使程序的运行速度得以提高，可以对图 1 2 浙江大学硕士研究生学位论文 像进行实时的交互操作。 3 浙江大学硕士研究生学位论文 2 6 3 可视化的应用 可视化是近年来计算机界最引人注目、发展最快的领域之一。大量复杂 的数据可以通过可视化技术重现其真实的空间分布和结构，这对当今信息时 代不断涌现的大量数据的处理、进行科学研究和实验结果分析都是十分重要 的，因而它在许多科学研究和工程应用领域有着十分广泛的应用前景，受到 不同专业背景的科技人员的欢迎。 经过不断的努力，对体绘制算法的研究取得了许多成绩。特别是p h i l i p l a c r o u t e ，m a r cl e v o y1 9 9 4 年提出的s h e a r - w a r p 算法使体绘制算法的运行速度 有了很大的提高，因此近些年来广泛应用于各种医学图像处理软件当中。在 这之前，三维医学图像处理程序必须在土作站上运行才能达到令人比较满意 的要求。s h e a r w a r p 算法的出现，使通过微型机对三维医学图像进行实时处 理成为可能。但是由于s h e a r w a r p 算法采用两步采样和二维线性插值的方 法，不可避免地会造成图像质量的损失。本文提出了一种通过改变采样方式 对其图像质量进行改善的方法。 在对大量数据可视化的实践中，人们发现有许多对象不能简单地用面或 线来表示，而只能被看作一个三维数据场。这些对象不仅在表面上表达了对 象信息，而且更重要的，在这些表面的内部也包含了丰富的对象信息，例如 c t 、m r 等医学成像设各生成的人体的三维数据场，这些信息仅用曲线曲面 的几何造型方法是无法表示的。为此，人们提出一种新的绘制技术一一体绘 制技术，该技术不同于传统的基于表面的绘制方法，是一种基于体的直接绘 制技术，能够表现出对象体丰富的内部细节。 目前，国外正在积极开展可视化系统的开发和应用工作，出现了一批优 秀的可视化系统，如美国a d v a n c e dv i s u a ls y s t e mi n c 公司推出的体数据可视 化一a v s 系统、美国纽约州立大学以a r i ee k a u f m a n 教授为首的研究小组 1 4 浙江大学硕士研究生学位论文 设计的体数据可视化系统v o l v i s 系统、美国t a r av i s u a li n c 公司设计的a p e 可视化系统、美国宾州大学j k u d u p a 教授领导的医学国家处理小组开发 的一个可移植的可视化系统3 d v i e w n i x 系统及s g i 公司开发的i r i s e x p l o r e r 系统等。我国对可视化的研究也十分重视，许多大学和研究所都在 研究可视化技术，设计了一些可视化系统，如中科院自动化所研制的 v i s u a l i z e r 系统等。 、 浙江大学硕士研究生学位论文 第三章石油勘探开发的过程 3 1 概述 我国是一个幅员辽阔和拥有广阔近海大陆架的国家，石油地质构造背景特 殊，油气田形成条件复杂，它既有与世界油气田分布规律相似的一面，更具有 异常特殊的面，油气赋存于特定的地质结构背景中，主要表现为：小型盆地 多而大型盆地少；储集层种类复杂，非常规储集层占有相当比重等。与国外易 于勘探的大型一一特大型油气区相比，我国形成油气储藏层的条件是某种程度 的“先天不足”，它给中国的石油地质工作者设置了一条艰难、曲折的道路。 我国是世界上油气资源丰富的国家之一，同时也是最早发现和利用油气的 国家之一。寻找石油矿藏是包括我国在内的一项长期的战略性任务。油气勘探 技术包括地质、物探、钻探、测井、测试等技术手段，是一个系统工程。一是 地质调查技术，包括地面地质、地震、油气遥感、非地震物化探等；二是井筒 技术，包括钻井、测井、录井、测试、试采等；三是地质实验技术，包括分析 化验和模拟试验等：四是勘探计算机技术。 3 2 油气勘探技术的应用与发展 几十年来，以地震勘探为代表的石油物探技术的发展，经历了光点技术、 模拟技术、数字技术的三个阶段，目前正在向开发地震技术发展，通过大量实 践和科学总结，我国的油气勘探技术日渐完善。在油气勘探中使用最多、效果 最好、发展最快的是地震勘探技术，它包括野外资料采集、室内资料处理、综 合解释研究等三个环节。 地震勘探技术主要是通过地震勘探了解大范围内的地层构造，发现可能的 含油构造，并通过测、录井数据了解局部区域的地层构造，探明油藏位置及其 分布，估算蕴藏量及勘探价值。 非地震勘探技术是指重力、磁力、地面化探、遥感等方法，主要研究地下 岩石的密度、磁性、电性和地面烃类微渗漏或微扩散引起的异常，大多应用于 勘探的概查和普查阶段。 1 6 浙江大学硕士研究生学位论文 3 3 油气田开发与开采 一个含油构造经过初探发现其具有工业油气流以后，接着就要进行详探并 逐步投入开发。所谓油田开发，就是依据详探成果和必要的生产性开发试验， 在综合研究的基础上对具有工业价值的油田，按照国家对原油生产的要求，从 油田的实际情况和生产规律出发，制订出合理的开发方案并对油田进行建设和 投产，使油田按预定的生产能力和经济效果长期生产，直至开发结束的全过程。 石油的开发过程是一个多专业、多学科、多工种，各种工艺技术相互配合， 不断完善的过程。油田开发可以概括为下几个方面： ( 1 ) 油田地下情况的调查研究，即开发前的准备阶段，包括详探和开发试验 等； ( 2 ) 设计油田开发方案； ( 3 ) 钻井； ( 4 ) 采油井场建设； ( 5 ) 地面油气集输设施建设： ( 6 ) 油田开采动态监测分析： ( 7 ) 调整和完善开采方案： ( 8 ) 提高采收率。 一、认识油层的方法有以下几种： ( 1 ) 钻井取心，就是通过打探井，来获取地层的岩心，直接取得油层信息 的方法，但是这种方法费用高，时间长； ( 2 ) 录井，就是在钻井时，从循环井液中连续地捞取井底翻上来的岩石碎 屑进行分析研究，了解地下的油层情况： ( 3 ) 地球物理测井，对地下岩石的各种物理性质的测量，间接的认识岩石 的各种地质情况，如含油岩石导电性差，表现出高电阻率。利用专业仪器下到 井内，沿着井身测试自然条件下，各种岩石的物理性质，以研究认识地下油层 及油层中含油、气、水的特性。测井方法分为电性测井，放射测井等。 ( 4 ) 试油，是指在油井钻成之后，向井简内注入清水，把钻井液替换出来， 若井内压力高于井简压力，油就会自动喷到地面上来形成自喷井；反之，油就 不会喷到地面上来。试油是指针对油井自喷或者不自喷的情况，采用各种方法 1 7 浙江大学硕士研究生学位论文 分别测出油井产油量、产气量等。 二、设计开发方案： ( 1 ) 合理布井，就是根据油田地质隋况，以及全部钻井、开采、油田建设方 面的因素，确定在该油田的油井的数量和油井的井位。 ( 2 ) 确定开采方式，是指确定开采井利用何种方式，何种能量进行采油工作。 主要有两种方式：利用天然能量开采( 弹性能量、溶解气能量、气压能量) ： 利用水压驱油。 接下来就是进行钻井工作了。目前的井可以分为探井、资料井、生产井、 注入井、检查井、加密井等，把油田的逐步投入开发和对油层地质特征的了解 紧密地结合起来，以较少的井取得了较好的开发效果。 完成了钻井工作，就可以进行石油开采了。但是还需要一些相关的配套措 施，比如输油管，联合站( 转油站) 。 在进行石油开采过程中，要一边进行石油生产，一边对整个区块进行动态 的监测，得到相关的资料，进行分析。研究油田动态变化规律，并运用这些规 律来调整和完善油田开发方案是极为重要的，研究其动态规律的方法有经验方 法、物质平衡方法及数值模拟方法等。 在石油生产的过程中，还要注意对油井的修缮和保养。 另外，为了提高原油采收率，还要采取防砂、注水等方式。【潘景为9 2 】 3 4 油气勘探开发的意义 油气勘探是整个石油工业的第一个环节，是石油工业的基础。油气勘探的 目的就是经济有效地发现和探明油气田，也就是说要尽可能少的投入( 资金、 人力、物力) ，发现和探明尽可能多的可供开采的有经济效益的油气储量，油 气勘探的经济利益建立在发现油气田的基础上，所以发现是第一位的。总体上 讲，我国对勘探方法的研究，与西方国家相比，是一个比较薄弱的环节。随着 科学的发展，三维数据场可视化技术在油气勘探开发中的应用会越来越多。 浙江大学硕士研究生学位论文 第四章可视化在石油勘探开发过程中的应 用 由于地震及测、录井数据的数据量极其庞大，而且分布高度不均匀，因而 难以甚至根本无法从纸面数据做出分析，利用可视化技术可以从大量的地震勘 探数据或测、录井数据中构造出感兴趣的等值面、等值线，显示其范围及走向， 并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，从而使专业人员可对原始数据做 出正确解释，并得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。可视化 技术不仅可以对打井作业做出指导，减少无效井位，节约资金，而且必将大大 提高寻找油藏的效率，具有重大的经济效益和社会效益。 如前所述，石油地质中的三维可视化技术主要应用于工作站环境，而且主 要是地球物理和测井方面的应用，应用于地质录井行业尚属空白。在p c 机环 境下探讨石油地质中的三维可视化问题更属首例。下面针对地质录井行业探讨 石油地质中的三维可视化技术的应用。 4 1 在钻井地质设计中的应用 可视化技术具有从根本上改变石油行业开展业务方式的潜力。在过去的几 年里，国外使用可视化系统的比例不断上升。如美国、苏格兰已经使用 i m m e r s i v e d r i l l i n gp l a n n e r 进行钻井设计。 钻井地质设计是油气勘探开发部署意图的具体体现，是单井各项地质工作 的依据，是编制钻井工程设计和测算钻井费用的基础。地质设计的科学性、先 进性及可操作性不仅直接影响到地质资料的录取、整理、分析化验，而且影响 到对油气层的识别和评价，是高效低耗地进行油气勘探和开发的一项十分重要 的工作。在进行钻井地质设计前，必须对地下地质环境有一个三