（计算机科学与技术专业论文）地震数据可视化技术研究及应用.pdf

地震数据町视化技术研究及应用 摘要 地震勘探是目前地质勘探的主要手段，其中基于科学计算可视化技术的大规模地震 数据可视化解释是其中的关键核心。科学计算可视化技术可以帮助科学研究者与工程技 术人员形象地观察数据中的规律和数据间的相互关系及其趋势，直观地分析、理解、揭 示抽象数据中包含的客观规律。 本文以计算机图形学与计算软件理论为基础，对地震数据可视化中的相关技术与方 法进行了研究，并成功应用于国际合作研究项目中，主要工作包括地震数据处理与多维 绘制方法、地震数据处理中的通用坐标转换方法以及地震数据可视化系统开放式p l u g i n 模式软件体系结构的实现等方面。论文的主要工作如下： ( 1 ) 针对目前地震数据处理中的实时多维绘制问题，实现了高效的线、面、体绘制算 法( 为避免采样点较少或进行图像放大操作时曲线光滑性差的情况，本文采用分段三次 b e z i e r 曲线拟合方法绘制地震波形图，利用曲线的变化来表征检波点的振动情况；实现 p l i n e 格式地震数据的线段集绘制算法；实现四边形网格、三角条带集、b e z i e r 曲面拟合 绘制地层曲面的算法：采用颜色映射算法显示二维地震数据；应用o p e ni n v e n t o r 体图 元对v o x e t 格式地震数据进行直接体绘制) ； ( 2 ) 在多维复杂变换的地震数据处理系统中，时空坐标转换是其中的重点问题之一。 本文提出地震数据可视化过程中不同坐标系统问转换和映射的算法和地震数据点坐标 重新计算和数据归一化方法： ( 3 ) 针对本系统中的复杂多样数据处理显示功能模块以及动态开放的集成需求，基于 软件设计模式实现了一种p l u g i n 模式的软件体系结构。该结构中应用了多种软件设计模 式，支持地震数据可视化解释模块插件的丌放式开发、集成与高效运行； ( 4 ) 在以上工作的基础上，参与设计地震数据可视化系统( s e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o n s y s t e m ) ，并实现软件主体框架和可视化模块插件的主要功能。该系统数据处理高效、交 互操作方便、插件功能丰富且易于扩展，验证了本文提出的软件体系结构的可行性。 关键词：科学计算可视化；地震数据；线、面、体绘制；坐标转换；q t ；o p e n l n v e n t o r l l a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s e i s m i ce x p l o r a t i o ni st h ep r i m a r ym e a n so f g e o l o g i c a lp r o s p e c t i n g , i nw h i c h 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 u t i n gt e c h n o l o g yb a s e dl a r g e s c a l es e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o n i so n eo ft h ek e yc o r e s i ti st h em o s te f f e c t i v ew a y b yw h i c hs c i e n t i s t sa n de n g i n e e r sh a v ea n i n s i g h ti n t ot h ei n h e r e n tr u l e sc o n t a i n e di nt h ed a t aa n du n d e r s t a n dt h er e l a t i o n s h i p sa n d d e v e l o p m e n tt r e n d sb e t w e e nt h ed a t a i te n a b l e ss c i e n t i s t sa n de n g i n e e r st o a n a l y z e u n d e r s t a n da n dr e v e a lt h eo b j e c t i v er u l e so fa b s t r a c td a t ad i r e c t l y w i t ht h e h e l po ft h e v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , s c i e n t i s t sc a n j u m po u to ft h ep a s s i v es i t u a t i o na n df a c et h ea b s t r a c t d a t ad i r e c t l y i nt h i st h e s i s ，w eh a v es t u d i e dt h et e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d s o fs e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o n , w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r i e so fc o m p u t e rg r a p h i c sa n dc o m p u t e rs o f t w a r ea n ds u c c e s s f u l l v u s e dt h e mi nr e s e a r c hp r o j e c t so fi n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o n t h em a i nw o r kw h i c hi n c l u d e s s e i s m i cd a t ap r o c e s s i n g ，m u l t i - d i m e n s i o n a l r e n d e r i n gm e t h o d s 。t r a n s f o r m a t i o na n dt h e m a p p i n ga l g o r i t h m sb e t w e e nt h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m sw h e np r o c e s s i n gs e i s m i cd a t a a n da no p e np l u g i ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fs e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o ns y s t e m ( s d v s ) i sa s f o l l o w s ： f i r s t l y ，i nv i e wo fr e a l - t i m em u l t i d i m e n s i o n a lr e n d e r i n gp r o b l e mi ns e i s m i cd a t a p r o c e s s i n g ，w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dh i g h l ye f f e c t i v er e n d e r i n gm e t h o d so fl i n e s ， s u r f a c e sa n dv o l u m e s ( w h e n m a p p i n gs e i s m i cd a t ai nt h ew a v ec u r v e ，w ei n 仃o d u c e dab e z i e r c u r v ef i t t i n gm e t h o di no r d e rt oa v o i db r o k e nl i n e si nt h ec o n d i t i o no fas m a l ln u m b e ro f s a m p l i n gp o i n t s w ea n a l y z e dt h es e i s m i cd a t af o r m a to fp l i n ea n dd r a w ni tw i t hl i n e s e tn o d e i no p e ni n v e n t o rl i b r a r y w ea l s oi n t r o d u c e daq u a d r a n g l em e s hm e t h o d ，at r i a n g l es t r i ps e t m e t h o da n dab e z i e rs u r f a c ef i t t i n gm e t h o dt od r a wl a y e ra n dd i s p l a yi t u s i n gt h ec o l o r m a p p i n gs t r a t i g r a p h y t h ed i r e c tv o l u m er e n d e r i n gt e c h n o l o g yo fs e i s m i cd a t ai sd i s c u s s e di n 3 d v i s u a l i z a t i o n ) s e c o n d l y ，s e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o np r o j e c th a sm a n yk i n d so fc o o r d i n a t es y s t e m s ，a n d c o o r d i n a t e st r a n s f o r m a t i o ni ns e i s m i cd a t ap r o c e s s i n gi sam a j o rp r o b l e m i no r d e rt om a k e u s e r sw h o e x p l a i nt h es e i s m i cd a t ah a v eab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dt h e s t r a t u mn a t u r ea n dp r o c e s ss a m p l es e i s m i cd a t ap r e c i s e l y , t h i st h e s i sp r o p o s e da t r a n s f o r m i n g a n dm a p p i n g a l g o r i t h mb e t w e e nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m sw h e np r o c e s s i n gs e i s m i cd a t a t h i r d l y , w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e das y s t e mw i t ha i lo p e np l u g - i ns o f t w a r e a r c h i t e c t u r eb yu s i n gm a n yk i n d so fs o f t - w a r ed e s i g np a t t e r n ，a n de x p l m n e dt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h ev i s u a l i z a t i o nm o d u l e so ft h i ss y s t e m b e s i d e s ，w ea l s oc r e a t et w oa u x i l i a r y i i i 地震数据町视化技术研究及f 峰用 t o o l s ：a l g o r i t h m so fas m a l lm e m o r ya l l o c a t o ra n dr e f e rc o u n t f i n a l l y , w ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t e dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fs e i s m i cd a t a v i s u a l i z a t i o ns y s t e m ( s d v s ) a n di n t r o d u c e dt h em a i nf u n c t i o n so fs e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o n p l u g - i nm o d u l ea n dt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , t o o l s t h i ss y s t e mh a sac o n c i s eu s e r i n t e r f a c e ，f e a t u r e - r i c hp l u g i n sa n dav a r i e t yo fd i s p l a ys t y l e s ，a n du s e r sc a ni n t e r a c t i v ew i t hi t f r i e n d l ya n de x t e n di te a s i l y k e yw o r d s ：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 u t i n g ；s e i s m i cd a t a ；l i n e s u r f a c e & v o l u m e r e n d e r i n g ； c o o r d i n a t e st r a n s f o r m a t i o n ； q t ；o p e ni n v e n t o r 地震数据町视化技术研究及j 用 插图索引 图1 1 地震勘探1 图2 1 数据可视化流程图8 图2 2 四维数据的访问方式16 图2 3 简单的地震剖面图16 图2 4 地震勘探数据的排列方式1 7 图2 5 地震勘探数据处理一般流程1 8 图3 1 折线与三次贝赛尔曲线2 0 图3 2b e z i e r 曲线的拼接一2 l 图3 3 曲线分割及计算控制点2 2 图3 4 检波点振动数据三次贝赛尔曲线拟合绘制节点图2 2 图3 5 检波点振动数据绘制结果一2 3 图3 6p l i n e 格式地震数据2 3 图3 7p l i n e 数据线段集绘制节点图一2 4 图3 8p l i n e 数据线段集绘制结果2 5 图3 9t s u r f 地震数据格式一2 5 图3 10t s u r f 数据三角条带集绘制节点图一2 7 图3 1 1t s u r f 数据三角条带集绘制结果2 7 图3 12 矩形域曲面一2 8 图3 1 3b e z i e r 曲面片的拼接一2 9 图3 1 4t s u r f 数据b e z i e r 曲面拟合绘制节点图3 0 图3 1 5t s u r f 数据b e z i e r 曲面拟合绘制结果3 0 图3 1 6 颜色映射一3 l 图3 17 不同颜色映射下的绘制结果3l 图3 1 8v o x e t 地震格式3 2 图3 1 9v o x e t 数据直接体绘制节点图3 4 图3 2 0v o x e t 数据直接体绘制结果3 4 图3 2 l 正交切片和斜切片显示3 5 图3 2 2v o x e t 数掘体绘制凹凸贴图一3 5 图3 2 3 交互设置传递函数3 6 图3 2 4 不同传递函数下的绘制效果3 6 图3 2 5 红蓝绿颜色索引表3 6 图3 2 6 数据范围的设定。3 7 v i i i 硕f j 学化论文 图3 2 7 透明度调节3 7 图4 1 坐标系转换3 8 图4 2 变换矩阵巩俐对正方形错切变换的结果4 1 图4 3 地震道的横向变换4 2 图4 4 地震道的纵向变换4 2 图4 5 图像输出过程4 3 图4 6 三维坐标系统和v o x e t 数据采样维度4 5 图4 7 三种坐标系统关系图示4 7 图4 8 坐标转换算法插件应用于g o c a d 软件一4 8 图5 1p l u g i n 体系结构图5 0 图5 2 系统框架图5 2 图5 3 模型、视图与控制器关系图5 3 图5 4 模块管理器及可视化模块类图5 4 图5 5 窗口工厂类及窗口类型5 5 图5 6 策略模式类图一5 6 图5 7 可视化模块类5 7 图5 。8 系统主要功能5 9 图5 9 二级内存分配器的内存管理策略一6 0 图5 1 0 空描述符链表6 l 图5 1 1 内存分配管理结构示意图6 2 图5 12 引用计数6 3 图5 13 引用计数的“写时拷贝6 4 图5 1 4 引用计数的实现与应用6 6 图5 1 5 信号与槽连接示意图6 7 图5 16 地震数据可视化系统用户界面设计图6 8 图5 17o p e ni n v e n t o r 的组织架构图6 9 图5 18 场景图符号6 9 图5 1 9 多种地震数据可视化绘制显示6 9 图5 2 0 多窗口平铺显示7 0 图5 21 立体支持7 0 图5 2 2 鼠标跟踪7l i x 地震数据町视化投术研究及f 遁用 附表索引 表2 1s e g y 标准的文件格式1 5 表4 1 三组坐标转换结果样值一4 6 表4 2 三组重合点坐标样值一4 7 表4 3 三组坐标转换结果样值4 8 表5 1 丌发坏境与工具6 6 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者虢苏良矽 嗍 学位论文版权使用授权书 月踟 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 8 驴 月月 多6 年年 岁7 冲巧 期期 硕l j 学位论艾 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于与美国n e x u s 公司合作项目“地震数据可视化系统 。 1 2 研究背景及意义 世界工业飞速发展，能源消耗成倍增加，世界性能源危机同益严重，各国都 加紧了对石油资源的勘探工作。能源问题既是经济和发展问题，也日益成为牵动 国际形势和大国战略的重大政治和安全问题。虽然国际油气资源前景谨慎乐观， 但国际能源安全的脆弱性十分明显。在当前和今后的较长时期内，石油和天然气 仍将是最重要的能源资源。 地震勘探资料的解释一直沿用二维的方法和流程，不能完全、有效地发挥其 应有的作用，随着勘探目标的进一步细化，这种常规的地震解释方法已不能满足 解释的需要，必须寻求更准确的地震资料解释方法；同时随着资源大量地被开采， 勘探工作程度的加深，地球物理勘探工作不断向新的深度和广度发展，勘察精度 要求越来越高、难度变得越来越大，面对r 益复杂、隐蔽的油气藏，常规的地震 解释方法受到了一定的制约，为提高钻探的成功率，需要为油气勘探工作者提供 一个更为精确的地质构造形态。 地震勘探【i 】是利用人- i - _ $ , 造强烈的震动( 一般是在地下不深处的爆炸) 所引起 的弹性波在岩石中传播时，当遇着岩层的分界面，便产生反射波或折射波，在返 回地面时用高度灵敏的仪器记录下来，根据波的传播路线和时间，分析确定发生 反射波或折射波的岩层界面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造和地层岩石的 性质的过程，以寻找油气圈闭。是以岩矿石间的弹性差异为基础，通过接收和研 究地质体( 构造或矿体等) 在地表及其周围空间产生的弹性波场的变化和特征来 推断地质体存在状态( 产状、埋深、规模等) 的一种物探方法。 图1 1 地震勘探 在石油勘探中，地震勘探方法具有较高的精确度和分辨率，因而在石油勘探 领域获得了广泛的应用。地震法石油勘探技术是通过对采集到的大量声回波时差 地震数据口，视化技术研究及戍用 信号的分析来勘查地下油气资源分布的。在该方法中，引爆与数据采样、记录的 远程高精度时间同步是关键技术之一。油气勘探深度的不断增大和勘探范围从陆 地向海洋转移，所采集到的地震数据同趋庞大，对计算的软硬件也提出了更高的 需求。 早期由于计算机硬软件技术水平的限制，地震采集数据量大、处理步骤复杂， 地震数据处理通常在大型计算机或工作站上进行，主要采用二维地震控制构造形 态，叠后偏移进行反射点归位，叠加次数一般为几十次，这种计算工作，当时的 大型机可以满足需要。但为了查明不断缩小的勘察目标和得到复杂构造的精确成 像，勘探方式从二维勘探向三维勘探转移，处理方式从叠后处理向叠前处理转移、 常规处理向高精度处理转移，因此大大地增加了数据处理量，普通大型计算机也 难以满足需要【2 1 。 当前，国际油气资源勘探正面临着地震处理技术的重大突破和地震处理工作 方式的重大变革。技术创新并形成具有我国自主知识产权的产品特别是软件产品， 是一个十分重要而紧迫的问题。近年来，随着计算机软、硬件水平地不断提高以 及可视化技术的迅猛发展，开发基于微机环境的地震数据可视化软件，并在此基 础上做出有益的探索和研究，为油气藏勘探提供有力支撑，符合我国的战略利益 和经济发展需求。 1 3 地震数据可视化技术研究现状 寻找石油矿藏是包括我国在内的许多国家的一项长期战略性任务。其主要方 式是通过地震勘探采集地震数据，将可视化技术应用于地质勘探数据或测井数据 中，从而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，了解大范围内的地质结构，发现可能的含油构造， 并通过测井数据了解局部区域的地层结构，探明油藏位置及其分布，估计藏量及 勘探价值。 将可视化技术应用于地震数据还存在许多问题有待研究，目前国内外的研究 现状1 3 j ： 地震数据属于有序离散的实测数据【4 】，其二维图形常用曲线表示。l9 8 1 年， m c a l l i s t e r 给出了用二次样条曲线进行有序点的曲线插值重建算法【5 】。随着对有 理曲线的进一步研究，如何运用有理曲线进行有序数据曲线重建也被越来越多的 研究者提出来【6 ，7 1 。s o h e l 提出了一种动态b e z i e r 模型，将局部和全局的形状信 息结合起来考虑，提高了重建精度【8 】。也有其他研究者讨论了用圆弧样条、双圆 弧样条或其它参数样条进行有序点曲线重建的问题【9 1 。 在三维显示方面，地震数据可以用规则数据场来描述【1 0 ，1 1 】，其重建的方法 主要有两种：一种是基于中间等值面构造的图形仿真方法；另一种是将数据点颜 2 硕f ? 学位论文 色和不透明度直接合成的直接体绘制方法【l2 1 。国内外研究人员在生成的图像质 量和绘制速度之间寻求可能的最佳方案，形成了许多不同的体绘制算法。文献 【l3 ，1 4 1 提出了光线提前终止的加速算法，另一种加速算法【 】是利用空间数据结 构，通过研究数据内部相关性来提高体绘制效率。袁非牛等人则研究了光线投射 法中混合场景的绘制问题【1 6 】。由c a m e r o n 和u n d r i l l t l 。7 】提出错切一变形算法，通 过将数据体错切一重采样一变形一成像的过程来加快绘制速度。l a c r o u t e 和l e v o y i l 引 在其算法上进行了优化，对数据按定义的不透明度进行编码，对中问图像扫描时 掠过与其对应的透明体数据区域和自身不透明的像素区域，从而减少计算量，提 高绘制速度。抛雪球或足迹表法则是利用足迹函数计算体素投影的影响范围，从 而计算出对图像的总体贡献【l9 1 ，文献【2 0 运用2 d 图像弯曲技术对抛雪球算法进 行了改进。随着图形硬件技术的发展，基于纹理辅助的体绘制方法【2 1 , 2 2 】被提出 来。f r a n kd a c h i l l e 2 3 】等人提出了一种基于三维纹理映射支持的具有明暗效果的 体绘制方法。以前计算复杂度高的计算过程，如三线性插值和光照计算【2 4 , 2 5 1 等， 现在均可以借助硬件完成。 1 4 本文的结构 全文分五章，本文的结构安排如下： 第一章概述本文的课题来源，研究背景，研究目的及意义，地震数据可视化 技术的国内外研究现状，文章的组织结构。 第二章详细的介绍相关知识背景及研究现状：科学计算可视化的定义及研究 的内容，可视化的基本流程，科学计算可视化的应用领域及目前国内外现状；地 震数据的特点，s e g y 文件结构和地震数据处理的基本流程。 第三章介绍地震数据可视化技术：地震数据的线绘$ 1 j ( b e z i e r 曲线拟合处理， p l i n e 折线集显示) ，面绘制( 四边形网格、三角形条带集、b e z i e r 曲面拟合绘制地 层曲面) 和体绘s q ( 直接体绘制，切片显示，凹凸贴图，颜色映射，传递函数) 。 第四章地震数据可视化过程中涉及到多种坐标系统：物体坐标系，眼坐标系， 剪切坐标系，归一化设备坐标系，屏幕坐标系等。介绍图形坐标转换的几种模型 和在进行地震数据可视化处理时三种物体坐标系之间的转换方法及应用。 第五章将介绍地震数据可视化系统：分析软件的需要，提出p l u g i n 的软件 体系结构，在实现系统时应用的主要经典设计模式，软件总体框架，系统中已经 实现了的主要功能和图形功能模块开发要点，根据系统需要实现的小对象内存分 配器及引用计数等辅助工具，开发环境及工具和并提供了系统运行时的截图。 最后是全文的总结与展望。 地震数据町视化技术研究及j 如用 第2 章地震数据可视化中的相关技术 2 1 科学计算可视化 2 1 1 科学计算可视化含义 科学计算可视化【l5 】( 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 u t i n g ) 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。l9 8 7 年2 月，美国国家科 学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者有来自计算机 图形学，图像处理以及从事各不同领域科学计算的专家。会议认为“将图形和图 像技术应用于科学计算是一个全新的领域 ，并指出“科学家们不仅需要分析由 计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化”。多年来，科 学计算可视化的应用遍及自然科学、工程技术、经济管理与艺术等众多领域，呈 现出蓬勃发展的趋势。 科学计算可视化的基本含义【1 5 】是运用计算机图形学和图像处理技术，将科 学与工程计算过程中及计算结果的数据转换为图形、图像，以直观的形式在屏幕 上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。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，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。它涉及计算机图形学、图 像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及人机交互技术等多个研究领域，已成为 当前计算机图形学研究的重要方向。 可视化技术的出现有着深刻的历史背景，这就是社会的巨大需求和技术水平 的进步。可视化技术由来已久，早在2 0 世纪初期，人们已经将图表和统计等原 始的可视化技术应用于科学数据分析当中。随着人类社会的飞速发展，人们在科 学研究和生产实践中，越来越多地获得大量科学数据。计算机的诞生和普及应用， 使得人类社会进入了一个信息时代，它给人类社会提供了全新的科学计算和数据 获取手段，使人类社会进入了一个“数据的海洋 ，而人们进行科学研究的目的 不仅仅是为了获取数据，而是要通过分析数据去探索自然规律。传统的纸、笔可 视化技术与数据分析手段的低效性，已严重制约科学技术的进步。 随着计算机技术的发展，图形图像技术有了长足的进步，并向各个领域渗透， 在某种程度上取代了人类传统的基于文字、数字符号的通信模式。科学计算可视 化通过对数据进行过滤，去除原始数据中不需要的信息，把数据映射为点、直线、 多边形、样条、曲面等几何形体，然后把数据中所蕴含的规律通过颜色、照明和 几何形体等直观的形式显示出来，加速了人脑获取信息的速度。由于图形图像有 着不可比拟的优点( 信息量丰富，形象直观等) ，所以，它通常是人类认知世界的 4 硕f j 学位论文 重要手段，而且近年来随着计算机能力迅速提高，一些高档工作站已经能达到实 时显示。因此，利用计算机图形学及图像处理技术形象、直观地显示科学计算中 的中间成果及最终结果并进行交互处理已经成为现实。 近年来，随着网络技术和电子商务的发展，国际上提出提出了信息可视化 ( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 的问题。一般说来，科学计算可视化是指空问数据场的 可视化，而信息可视化则是指非空间数据的可视化。我们可以通过数据可视化技 术，发现大量金融、通信和商业数据中隐含的规律了解数据之问的相互关系及发 展趋势，从而为决策提供依据。这已成为数据可视化技术中新的热点。 科学计算可视化作为一门新兴学科，自正式确定以来便得到了迅猛的发展， 欧美发达国家在科学计算可视化的研究应用与培训上投入了大量的资金和人力， 取得了显著的成效。科学计算可视化、多媒体和虚拟现实技术一同成为了近十年 来计算机科学中的研究热点。 2 1 2 科学计算可视化的研究内容 科学计算可视化按功能分为三个层次【1 5 】： ( 1 ) 科学计算结果数据的后处理 将计算过程和可视化过程分开，在脱机状态下对计算的结果数据或测量数据 实现可视化。由于不要求实时绘制图形、图像数据，可视化功能对计算能力要求 较低。 ( 2 ) 科学计算结果数据的实时处理及显示 在进行科学计算的同时，实时地对计算的结果数据或测量数据实现可视化， 所以比上一层次需要更强的计算能力。 ( 3 ) 科学计算结果数据的实时绘制及交互处理 对数据进行实时处理及显示，而且如有必要，还可以通过交互方式修改原始 数据、边界条件或其它参数，使计算结果更为满意，实现用户对科学计算过程的 交互控制和引导。要求计算机硬件具有很强的计算能力，而且要求可视化软件具 有很强的交互功能。 为了实现三个层次的功能，科学计算可视化所涉及的主要技术问题： ( 1 ) 标量、矢量和张量场的显示； ( 2 ) 数据场和流场的动态显示； ( 3 ) 多参量数据场的显示； ( 4 ) 模拟和计算过程的交互控制和引导； ( 5 ) 面向图形的程序设计环境； ( 6 ) 工作站与超级计算机联网使用； ( 7 ) 用于图形生成和图像处理的并行算法； 地震数据n ，视化找术研究及f 够用 ( 8 ) 用于图形生成和图像处理的特殊硬件结构； ( 9 ) 虚拟现实技术在科学计算可视化中的应用等。 科学计算可视化技术的应用领域如此广泛，由于应用领域的不同，数据来源 就不同( 来自计算机模拟还是自测量仪器) ，所需要观察的数据属性也很不同，主 要属性包括：来源、维数、定义域的维数、组织形式、时间特性及数据量等，其 中数据的时间特性表示数据是否与时间相关、是否表示随时问变化的物理现象； 数据的维数表示标量数据、向量数据及高维的张量数据等；数据定义域的维数分 为一维、二维、三维数据等；数据的组织形式分为有网格数据和无网格散乱数据。 实现三维空间数据场可视化的算法与数据类型有极大的关系。因此科学计算 可视化的核心问题是三维空间数据场的可视化问题，概要介绍： ( 一) 数据本身数据的类型 科学可视化中，有三种不同类型数据需要可视化，分别是标量、矢量和张量。 ( 1 ) 标量 标量是指可以用一个不依赖于坐标系的数字表征其性质。例如，密度、温度、 质量等。标量没有方向。 在某一坐标系中，一个标量可以表示为( x ，y ，z ) ，而在一个新的坐标系中， 该标量表示为f ( x ty ，z ) 。由于标量的数值不依赖于坐标系，于是有： ( x ，y ，z ) = f ( x t 少，z ) ( 2 1 ) 标量的另一个定义：若对每一个直角坐标系o x y z 有一个量，它在坐标变换时 满足式( 2 1 ) ，即保持其值不变，则此量定义了一个标量。 ( 2 ) 矢量 矢量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。例如，位移、 速度、加速度等。 设x 表示某一矢量。x i 工2 ，x 3 与x i ，x 2 tx 3 分别是x 在旧坐标系和新坐标系中 的投影，显然，x 1 ，x 2 tx 3 与x ix 2 ，x 3 之间有如下关系： = a l l x l + 口1 2 x 2 + 口1 3 2 3 x 2 t = a 2 1 x l + a 2 2 x 2 + a 2 3 x 3 ( 2 2 ) x 3 3 口3 i 五+ a 3 2 x 2 + 口3 3 屯 简写x i - a i i x 矢量的另一种定义：对于每一个直角坐标系o x ，x ：屯来说有三个量x 1 ，x ：，x 3 ， 它们根据式( 2 2 ) 变换到另一个坐标系0 1 而x 2 1 x 3 中的三个量x 1 ，x ：，x 3 ，则此三个 量定义为一个矢量。 ( 3 ) 张量 将矢量按以坐标变换为基础的定义加以推广，即可得到张量定义。如果对每 _ 个直角坐标系o x i x 2 x ，有9 个量x 抒( f = 1 , 2 ，3 ；= 1 , 2 ，3 ) ，可以按张量形式表示的下述 6 硕l 学位论文 公式转换为另一个直角坐标系的9 个量x ( f _ 1 , 2 ，3 ；= 1 , 2 ，3 ) ，则这9 个量定义了 一个二阶张量。 x o 。- - a e a ，卅x 盯u = 1 , 2 ，3 ；m = 1 , 2 ，3 ) ( 2 3 ) 二阶张量可以表示为一个3 3 矩阵： 卜 嘞= fx 2 lx 2 2x 2 3f ( 2 4 ) l 屯。而：x ，j 矩阵中的每一项x 。称为二阶张量的分量。 二阶张量的定义可以推广到刀阶张量中去。当n = 0 时，张量的分量只有1 个，它是一个标量。因此，可将标量视为零阶张量。当n = l 时，张量的分量有3 个，它是一个矢量。因此，矢量可视为一阶张量。张量可用于流体力学的计算中， 用以表示流体微团的微观变化。 ( 二) 数据分布及连接关系的类型 三维空间数据可视化的对象既包括计算机的科学计算结果，也包括测量仪器 的测量数据。在科学计算中，所研究对象的特性往往是用一组方程式来描述的， 通常为常微分方程、偏微分方程、积分方程、线性或非线性方程。如果能求出这 些方程组的解析解，那么就可以在这些方程组所定义的空间内的任意位置上得到 所需要的解。一般情况下，只能求出这些方程组的数值解。为此，需要将所定义 的空间离散化，离散成体单元、面单元、线段或者网格点，再用数值求解方法求 出离散单元处的函数值。因此，科学计算( 包括工程计算) 的结果数据往往是离散 的，而不是连续的。 空间上的测量数据，例如，地震勘探数据、气象监测数据、人体的c t 或 m r i 扫描数据等，通常也是离散的。原因是人们很难在空问上取得连续的测量 数据。因此，可视化的对象一般是空间上离散的三维数据。 三维空间上离散数据之间连接关系的类型： ( 1 ) 结构化数据 在逻辑上组织成三维数组的空间离散数据。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，每个元素都可以有自己所在的层号、行号和 列号。 ( a ) 均匀网格结构化数据 数据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。高密度的人体c t 扫描所得数据是其中一个例子。在这类数据中，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数据 点的序号，即可根据网格问距所对应的距离求出该点的空间位置。 ，：( b ) 规则网格结构化数据 7 地震数据町视化技术研究及f 照用 数据均匀分布在由长方体组成的三维风格点上，即在x ，y ，z 三个方向上，网格 点之问的距离互不相等，但在同一方向上则是相等的。与均匀风格样，无需给 出各数据点的空问位置，可根据起始点的坐标、某一数据点的序号以及x ，y ，z 三 个方向的增量求出该点的空间位置。 ( 1 ) 非结构化数据 数据中网格间的空间邻接几何关系需要另外提供，体数据中除了必须存储体 素的坐标信息之外，还要存储网格间的连接信息。采样点之间不存在统一的邻接 关系，不同的三角剖分算法将产生不同的邻接关系。有限元分析和计算流体力学 中体数据大多属于这种类型。 ( 2 ) 结构化和非结构化混合型数据 在一些应用场合，有时需要将结构化数据和非结构化数据结合起来使用，从 而形成混合数据类型，以使得数据的表示最为方便，所需的计算量也较小。 ( 三) 可视化基本流程 在科学研究领域，研究的主要目的是理解自然的本质。科学家要达到这个目 的，要经过从观察自然现象到模拟自然想象并分析模拟结果的过程。在分析实验 结果的过程中，可视化是一个十分重要的辅助手段。三维空间数据可视化可分为 如下主要步骤【2 6 】： 图2 1 数据可视化流程图 ( 1 ) 数据生成 可由计算机数值模拟或专用测量仪器产生数据( 比如由医学图像通过c t 和 m r i 设备获得) 。计算机数值模拟的结果形成的数据文件，文件格式由科学计算 工作者定义，格式己知，可以比较方便地输入计算机。测量仪器输出数据的文件 格式有些是不公开的，必须得到仪器制造商的配合才能将其输入计算机。 ( 2 ) 数据处理 可视化的数据来源十分丰富，数据格式也是多种多样的，此步骤将各种各样 的数据转换为可视化工具可以处理的标准格式；对于数据量过大的原始数据，需 要加以精练和选择，对原始数据进行预处理时既要减少数据量，又要最大限度地 减少有用信息的丢失，当数据分布过分稀疏而有可能影响可视化的效果时，则需 要进行有效的插值处理。此步骤最常见的处理方法参数域变换、滤除噪声、法向 量计算、抽取感兴趣的数据等； ( 3 ) 可视化映射 硕f 学位论文 整个流程的核心，映射就是运用各种各样的可视化算法对数据进行处理，将 数据转换