（信号与信息处理专业论文）三维地震数据可视化研究.pdf

摘要 三维地震数据可视化研究 作者介绍：洪源，男，生于1 9 8 1 年1 2 月2 日，现为成都理工大擘信息工程学院硕士 研究生，信号与信息处理专业，研究方向科学可视化 摘要 在地球物理与信息技术领域，科学可视化技术将科学计算中产生的大量非 直观的、抽象的或者不可视的数据，以图形图像的形式直观、形象地表达出来， 可为下一步的数据解释分析提供有力条件，因此，科学可视化是地球物理与信 息技术领域研究的一个重要方向。 三维地震数据可视化软件的设计是根据物探工作者的需求出发，在三维地 震数据处理的基础上，利用现代计算机丰富的图形图像功能，对获得的地震数 据进行三维可视化图形显示软件。本软件是在q t 及o p e n g l 图形软件开发环境下 研究开发的可视化方法和软件，具有一系列的应用功能。 通过研究本文取得了如下成果： ( 1 ) 研究了o p e n g l 图形库用于图形操作，实现数据可视化。q t 用于与用户 交互，实现用户界面设计。 ( 2 ) 实现了不同的显示模式，突出了数据体的各种信息特征。 ( 3 ) 实现直接体绘制与三维地震数据体结合，显示地震数据体的内部细节。 ( 4 ) 结合三维地震数据体的特点，优化了直接体绘制技术。 关键词：科学可视化；o p e n g l ；直接体绘制；三维地震数据场 成都理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f3 ds e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o n a u t h o rp r e s e n t a t i o n ：h o n gy u a n ，m a l e ，b o r ni nd e c e m b e r21 9 8 1 ，i sa g r a d u a t e ds t u d e n to fc o l l e g eo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n go fc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ，w h o s em a j o ri ns i g n a l sa n di n f o r m a t i o np r o c e s sa n dr e s e a r c hf i e l di n s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n a b s t r a c t i nt h ef i e l do fg e o p h y s i c a la n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g yp r e s e n t sal a r g en u m b e ro fn o n - i n t u i t i v e ，a b s t r a c to rn o n - v i s i b l e d a t a p r o d u c e di nt h es c i e n t i f i cc a l c u l a t i o n ，u s i n gg r a p h i c sa n di m a g e s i tp r o v i d e sg o o d c o n d i t i o n sf o rt h en e x td a t ai n t e r p r e t a t i o na n da n a l y s i s t h e r e f o r e ，t h er e a l i z a t i o no f s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n t h ed e s i g no f3 ds e i s m i cd a t av i s u a l i z a t i o ns o f t w a r ei sb a s e do nt h en e e d so f g e o p h y s i c a lw o r k e r s ，o nt h eb a s eo f3 ds e i s m i cd a t ap r o c e s s i n g ，u s i n gr i c hg r a p h i c a n di m a g ef u n c t i o n so fm o d e r nc o m p u t e r , i no r d e rt od i s p l a yt h e3 ds e i s m i cd a t a o b t a i n e d ，3 dv i s u a l i z a t i o ng r a p h i c sd i s p l a ys o f t w a r e t h i ss o f t w a r ei st h em e t h o d a n dv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r e ，r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nq ta n do p e n g lg r a p h i c s s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，w i t has e r i e so ff u n c t i o n s t h r o u g ht h er e s e a r c h , t h ep a p e rh a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t s ： ( 1 ) r e s e a r c ho p e n g lg r a p h i c sl i b r a r yf o rg r a p h i c so p e r a t i o n s ，a n dr e a l i z ed a t a v i s u a l i z a t i o n q tr e a l i z e su s e ri n t e r f a c ed e s i g nf o ri n t e r a c t i o nw i t hu s e r s ( 2 ) i m p l e m e n td i f f e r e n td i s p l a yf o r m a t s ，a n dh i g h l i g h tt h ef e a t u r e so ft h ed a t a v c i l u m ei n f o r m a t i o n ( 3 ) c o m b i n ed i r e c tv o l u m er e n d e r i n gw i t h3 ds e i s m i cd a t a ，a n ds h o wt h e h a t e n l a ld e t a i l so fs e i s m i cd a t a 。 ( 4 ) o p t i m i z ed 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 e s ，i nc o m b i n a t i o no f3 ds e i s m i c d a t af e a t u r e s k e y w o r d s ：s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ；d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ；o p e n g l ；3 ds e i s m i c d a t af i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡兰太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： ， 学位论文作者签名： 毛寥，诲 纠年f 月、，6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛叠堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛叠堡兰盍堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 艰币 卅年f 月拈日 第l 章引言 1 1 选题意义 第1 章引言 如今，计算机和计算机图形学已经成为日常生活及科学技术研究中不可分 割的一部分，在众多领域有着广泛的应用。可视化技术的应用几乎面向每一个 科学领域，当前研究的课题主要集中在流体力学模拟、石油地质勘测、气象预 报、医学临床诊断和辅助治疗等具体应用方面。 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 u t i n g ) 是计算机图形 学的一个重要的研究方向，是图形科学的新领域。科学计算可视化的基本含义 是运用计算机图形学或者一般图形学原理和方法，将科学与工程计算等产生的 大规模非直观的、抽象的或者不可视的数据转换为图形、图像，以直观的形式 表示出来，并进行交互处理。数据可视化已经成为科学研究中的必不可少的手 段。它是科学工作者以及工程技术人员洞察数据内含信息，确定内在关系与规 律的有效方法，使科学家和工程师以直观形象的方式揭示、理解抽象科学数据 中包含的客观规律，从而摆脱直接面对大量无法理解的抽象数据的被动局面， 这使得可视化技术日益成为科学发现和工程设计以及决策的强有力的工具。 在地球物理领域，地震勘探是地球物理勘探中重要的方法之一。它是用人 工的方法激发地震波，并用地震勘探仪器把大地的震动记录在磁带上，然后用 计算机对野外获得的数据进行处理，得到有关地下构造和岩性的信息及油气信 息。但在传统的解释方法中，人们要直接、完整、准确的理解与感受地下地质 情况和资源富集情况是很困难的。理想的解释方法应当融合地震、地质、测井 等多个专业，包括沉积、构造、储层，岩石物理、油藏等多方面的研究，并且 遵从由宏观了解到微观研究再到宏观升华的认识过程。早在多年以前人们就认 识到了这个问题，并指出了三维数据三维可视化解释的出路，因此，对获得的 地震数据进行三维图形显示是三维数据三维可视化解释中不可缺的一部分，这 样不仅能清晰的表达和显示各类结构面的特征以及它们的空间分布规律，直观 地看到地质构造、相互关系和分布，从而有利于发现问题、分析问题，为下一 步的地质解释奠定基础。因而，在地球物理与信息技术领域实现科学信息的可 视化是人们研究的一个重要方向。 将科学可视化技术应用于地震勘探中，能够提高地震解释的效率、精度和 成都理工大学硕士学位论文 完整性，大大提高了解释人员对三维数据体的理解程度。 1 2 研究现状1 2 】 在地震数据处理与解释中，可视化技术正成为越来越重要的工具。f j s e r o n 利用有限元模拟了一个简单盐丘模型，并对地震数据可视化作了初步探讨。t m s h e f f i e l d 等基于t e x a c o 可视化中心的集成环境探讨了颜色在地震数据可视化解 释手段中的应用。gd k i d d 则指出三维地震数据体可视化中的一些基本问题， 诸如利用数据的r g b a 属性( 红、绿、蓝及融合) 来表示三维数据体。r m d a l l e y 等介绍了s h e l l 石油公司利用三维图像处理与数据体描述技术，并结合三维可视 化环境，以提取、观察和存储具有相似的地震数据体。 美国考格尼塞斯公司( c o g n i s e i sd e v e l o p m e n t ，i n c 简称c s d ) 开发的石油 三维地质模型计算机软件是集地球物理勘探资料处理、数据解释和地质解释、 三维建模等方面的综合系统t e r r a c u b e ( 三维地球模型) ，t e r r a c u b e 为石油勘 探提供了一整套地球物理勘探和地质应用的综合分析方法和手段，以此来建立、 标定、解释、验证地球模型，在高档图形工作站上的可视化功能让人一目了然， 无可挑剔。t e r r a c u b e 系统采用模块化体系设计，用户使用提供了方便，其中的 地质解释软件g e o s e c3 d 是一个完整的三维地质可视化、模型、平衡和恢复系 统，利用地震资料、钻井资料、地表地质资料生成三维地质解释成果，用三维 构造恢复和正演模型对地震资料、钻井资料、地表资料进行分析和验证。 t e r r a c u b e 的真三维可视化技术，可快速实现三维立体图的旋转显示、三维透视 立体图的显示，与三维地质体一致的剖面和平截面的考察，交互处理及实时质 量控制使三维处理的速度和质量得以提高，可直接在三维模型上编辑、修改任 意空问曲面。该软件对任意空间曲面的任意部分的修改，就如同在平面图形软 件中操作一样，如对对象进行选中、移动、旋转、延伸、删除、拷贝、截断、 改变曲面形状、穿过或不穿过其它地质界面的操作，功能十分强大。这样的三 维建模软件完全可以达到地质工作者多年来一直在不懈追求、探索、设想的工 程地质三维实体地质模型软件的要求。 我国学者自2 0 世纪9 0 年代初开始进行科学计算可视化技术的研究，取得 了丰硕的研究成果。地质勘探和研究也进入了一个新的发展阶段，从最初的完 全依靠技术人员的经验，到大量使用计算机进行定量分析，大大提高了地质研 究的速度和精度，并且对计算机的使用，也从仅仅利用计算机对地质数据进行 单一的计算，进入了地质可视化分析阶段。目前，国内也已经开发了不同的工 程地质应用软件，实现地质结构计算机图形可视化，已经成为国内地质软件开 第1 章引言 发研究的主要方向之一。 1 3 本文研究的主要内容 科学计算可视化的功能分为三个层次：科学计算结果的后处理；科学计算 结果数据的处理及显示：科学计算结果数据的绘制及交互处理。这三个层次也 体现了科学计算可视化系统的研究目标：就是提供一种形象、直观地把握大量 抽象的、非直观的或者不可见的数据的能力。 本论文结合三维地震数据体，针对所产生的一些科学计算结果数据进行绘 制及交互处理，根据所得数据的特点，采用不同的方法将其进行三维显示，并 对三维地震数据体实现动态逐面显示、旋转、缩放技术，同时直接体绘制模块 显示了数据体的内部的特征，为分析、监控地震数据处理结果的合理性，研究 地质结构提供有效的手段。 1 4 本文所作的工作、特色和成果 1 4 1 所作的工作 本文在研制三维地震数据可视化显示软件中完成以下工作： ( 1 ) 实现三维地震数据场的直接体绘制【3 】啪1 显示。 ( 2 ) 三维地震数据场的整体效果。 ( 3 ) 三维地震数据场的逐层显示，逐道显示，逐线显示。 ( 4 ) 三维地震数据场的旋转，缩放。 ( 5 ) 三维地震数据场中不同振幅阈值的直接体绘制。 1 4 2 特色和成果 本文中完成的图形显示软件具有如下特点和功能： ( 1 ) o p e n o l m 研9 i o i i t l 图形库用于图形操作，实现数据可视化。q t l 7 1 1 6 1 2 6 ”j 用于与用户交互，完成用户界面设计。 ( 2 ) 通过不同的显示方式，突出了数据体的信息特征。 ( 3 ) 实现直接体绘制与三维地震数据场结合。 ( 4 ) 优化了直接体绘制技术在三维地震数据场显示中算法优化。 成都理工大学硕士学位论文 第2 章科学计算可视化 2 1 科学计算可视化的概述 科学计算可视化1 1 9 | 1 2 2 1 ( 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。1 9 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、图像处理以及从事个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，而这些 都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领 域定名为“v i s u a l i z a t i o n i ns c i e n t i f i c c o m p u t 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 ”， 这标志着科学可视化作为一门新兴学科和技术领域的诞生。 科学计算叮视化自正式确立以来已获得了飞速发展。自1 9 9 0 年以来，与可 视化相关的国际性及地区性学术会议十分频繁，最有影响的是美国电气和电子 工程师学会( i e e e ) 可视化会议及欧洲图形学学会组织的可视化专题讨论会。 科学计算可视化运用计算机图形学及图像处理技术，将科学计算过程中及 计算结果的数据转换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，而且包括工程计算数据的可视化，如有限元分析 结果等。也包括测量数据的可视化，如用于医疗领域的计算机断层扫描数据及 核磁共振数据的可视化。 2 2 科学计算可视化的研究 可视化技术自其诞生以来，一直处于飞速发展中。但是随着新的应用领域 的出现，旧的应用领域要求的不断提高以及新问题的不断出现，对可视化技术 的研究仍然需要继续进行。下面对可视化技术的几个前沿问题加以简单介绍。 ( 1 ) 并行与分布式科学可视化 由于科学可视化经常涉及到大量乃至海量的数据，同时越来越多的研究领 域和科学应用需要显示三维数据场，如c t 扫描断层的三维信息重建、地质矿藏 4 第2 章科学计算可视化 分布、核磁共振现象等，单处理机的图形工作站难以完成这样的可视化任务。 并行与分布式环境，从其计算能力和存储能力方面为此提供了一种解决方案。 在并行与分布式环境下进行科学可视化面临许多新的问题。首先是建立一 个并行与分布式处理的软硬件环境，寻找良好的软件平台和硬件平台。其次， 对网络的带宽和交互能力也有较高的要求，如何分配工作负荷和网络通讯也是 一个具有挑战性的问题。第三，要采用新的软件结构以便有效地支持网络计算 平台。另外，网络资源中存在着大量数据，如何有效管理、访问、传输这些数 据也是网络环境中科学可视化面临的重要问题。 ( 2 ) 体可视化 体可视化是一个将多维数据场投影到二维平面上的过程。通过研究如何表 示、维护和绘制体数据集，它为我们提供了洞察数据内部结构和理解物质复杂 特性的体制。体数据集一般都很大，在体绘制过程中，所有的信息均参与运算， 计算量很大，实现交互式体可视化更是面临的一个难题。然而，体绘制高质量 的结果图象效果，促使该领域成为一个热门的研究领域。 ( 3 ) 流场可视化 流场可视化是对流体力学中的数据类型的可视化研究。流体力学的主要数 据类型有矢量场、张量场等，对二维流场可视化，通过求流体偏微分方程 n a v i e r s t r o k e s 方程的数值解，并以箭头、流线和质子跟踪技术进行可视化，已 经取得了较好的结果。然而，这种仿真的精度和复杂度提高很快，大量输入数 据的组织和三维n a v i e r s t r o k e s 流矢量场的映射的复杂性在计算流体力学中都是 颇具挑战性的问题。 ( 4 ) 虚拟现实 虚拟现实技术是交互性能要求很高的三维交互可视化技术。它通过设定一 定的虚拟环境，对用户通过感官和动作在虚拟环境中对实体的交互操作，实时 利用计算机生成逼真的三维视觉、触觉等感觉，使用户产生一种“身临其境” 的感觉。虚拟现实技术三个基本特征：沉浸、交互、想象概括了这一技术的要 求和功能。虚拟现实技术近几年也取得了飞速的发展。在娱乐、模拟训练等领 域，它有着广阔的应用前景。 ( 5 ) 科学计算可视化的建模 对数据分析和可视化的主要目的是获取知识。知识需要语言来表达，对科 学而言，这个语言就是数学。建模就是用数学语言来描述、表示和条理化我们 成都理工大学硕士学位论文 的科学思想。在可视化的研究中，数据建模主要有以下的工作： 体建模：是指如何表示三维对象及其内部结构性质的方法，在体可视化乃 至体图形学中，最后绘制的都是体模型。 多分辨率建模：对数据集所建立的模型，能对应于不同精度的要求，有相 应层次的抽象描述。也就是在同一个模型中能表示出数据对象的不同程度的细 节信息。 散乱数据建模：它是指数据在空问中的分布没有特定规则的构型，它是相 对于规则地分布在笛卡儿网格上的数据集而言的。 ( 6 ) 基于模型的复杂数据集可视化 从最抽象的意义上讲，数据可视化就是将在n 维区域上的离散值映射到象素 颜色上，这是一个维数归约的过程。传统的可视化方法对采样点上的数据进行 局部分析，然后生成并显示图形效果。由于计算的复杂性，在普通的工作站上 进行交互的数据探索几乎不可能。构造一个智能型的基于模型的方法来提取数 据的本质特性并构造多分辨率图形模型，以便满足交互需要。这种方法主要有 以下步骤： 分段：通过局部的几何或微分性质，对数据集定义若干个特性。 拓扑：将每个特征分解为有一定拓扑关系的细胞群构成。 过滤：构造多分辨率图形模型。 绘制：确定应该显示的特性及采用的显示方法。 2 3 科学计算可视化的应用领域 可视化技术适应于几乎所有近代科学与工程技术领域，能帮助研究人员理 解计算与实验所获得的大量数据，并能通过人机交互手段达到控制计算过程， 改进计算结果的目的。要完整地列举它的应用领域几乎是不可能的，下面简要 列举它在自然科学和工程技术中几个应用可视化技术的例子。 ( 1 ) 分子构模：比较成功的例子如在超级计算机上构造复杂系统，如蛋白 质的d n a 的模型。它目前己发展为一个称为“分子图形学”的独立研究分支， 与传统的研究分子结构的实验方法结合，成为研究分子模型的有力工具。 ( 2 ) 医学图像应用：在临床和医学研究中c t 图像、核磁共振图像和超声波 图像的广泛应用是诊断的有力手段，应用先进的可视化技术对这些图像进行处 6 第2 章科学计算可视化 理、构造三维实体模型以及对其进行剖切显示，有助于理解复杂解剖特征的空 间定位痢随时间发生的变化。 ( 3 ) 地质学：地震数据和测量数据的解释是正确定位矿藏位置的关键。通 过这些数据，可以获得正确的地质岩层结构信息。从而对矿藏的开采有现实的 指导意义。 ( 4 ) 气象学：天气预报正确性与气象分析员对大气随时间变化图的理解有 关。通过对各种大气、云层等的可视化的处理，可以提高预报的质量和实时性。 ( 5 ) 空间探索：天体研究己积累了大量太阳系的有关星球的测量数据。可 视化技术在下列空间探索领域得到广泛应用：可视化技术与多维数据库的综合 应用，解决天体和太空环境的三维重构；太阳内对流元的研究；太阳地震学研 究；星系的碰撞作为多体问题处理的可能性；观察接近星系时的潮汐现象等。 ( 6 ) 建筑设计：在建筑设计时，利用可视化技术将客户的各种要求和想法 转化为计算机图形和图像。客户得到的不仅是建筑物的外貌，甚至于内部结构。 同时客户的反馈信息可以很快地反映到设计当中，是设计的效率大大提高。另 外，可视化技术还可以从部分或全部被破坏的古代建筑构筑出原有的模型，并 使人们获得身临其境的视觉感受。 2 4 科学计算可视化发展趋势 2 4 1 科学计算可视化国外发展趋势 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，并且己经将超级计算机、光纤高速网、高 性能图形工作站及虚拟现实四者结合起来，体现出这一领域技术发展的重要方 向。 下面介绍几项发达国家在科学计算可视化方面比较著名的研究成果。 ( 1 ) 可见人体 2 0 世纪7 0 年代计算机断层扫描( c t ) 和核磁共振( m r ) 技术的出现，使 得获取人体内部数据成为现实。可视化技术可以将一系列的二维c t 图像或m r i 图像重构成三维的人体结构，使得人类认识自身的内部结构成为可能。1 9 9 1 年 美国国家医学图书馆委托科罗拉多大学医学院建立起男性和女性的解剖结构的 成都理工大学硕士学位论文 数据库。全球用户在与美国国家医学图书馆签订使用协议并付少量经费后，即 可获得这一庞大的数据，用于教学和科学研究。这一成果的实现，将极大地推 动医学教育、医学科学研究乃至临床医疗技术的发展。 ( 2 ) 人类胚胎的可视化 美国依利诺大学芝加哥分校研制了一个在工作站和超级计算机上运行的胚 胎可视化软件。它可对一个7 周的人类胚胎实现交互的三维显示。该胚胎模型是 由美国卫生和医学国家博物馆得到的数据重构而成的。这一成果表示对人类形 态数据实现远程访问和在网络环境中实现分布计算的可能性。 ( 3 ) 分布式虚拟风洞 这是美国国家宇航局a m e s 研究中心的研究成果。该项目用一台超级计算机 进行飞行器的流体力学模拟计算。计算结果的可视化则在两个虚拟现实环境中 实现。 ( 4 ) 大气及流体可视化软件 这是美国国家超级计算机应用中心的研究结果。该软件通过多个相联系的 模型，在交互及分布环境下研究暴风雨的形成规律。 ( 5 ) 狗心脏c t 数据的动态显示 这也是美国国家超级计算机应用中心的研究项目，它利用远程的并行计算 资源，用体绘制技术实现了不同时亥f c t 扫描数据的连续动态显示。其具体内容 是显示一个狗心脏跳动周期的动态图象，十分形象直观。 ( 5 ) 燃烧过程动态模型的可视化 这是美国西北大学的研究项目。它可以显示发生在非绝热的气体燃烧中复 杂的瞬态图像。火焰位于、两个同心圆柱之间，可燃混合气体从内圆柱中注入， 燃烧所产生的物质则通过外圆柱送出。 科学计算可视化在发达国家的应用正在兴起。一方面，己经有了商品化的 通用的科学计算可视化软件系统：另一方面，也有不少专用的科学计算可视化 软件。 ( 1 ) 通用的科学计算可视化软件系统 比较著名的有美国s t a r d e n t 计算机公司开发的a v s ( a p p l i c a t i o n v i s u a l i z a t i o ns y s t e m ) ，s g i 公司开发的i r i se x p l o r e r 以及俄亥俄超级计算机中 心、开发的a p e 系统等。 8 第2 章科学计算可视化 ( 2 ) 专用的科学计算可视化软件 专用的科学计算可视化软件很多。在医用方面，己经有了可以显示三维医 学图像的商品化系统，如加拿大的a l l e g r o 系统。在气象方面，有德国科学院计 算机图形学研究所与德国气象局开发的软件t r i t o n ，它已用于日常的天气预 报。 在地质可视化的研究方面，国外也开展得较早，到目前，已经形成了相当 的规模，比较著名的软件如m a p t e k 公司的v u l c a n 和加拿大k i r k h a mg e o s y s t e m s 公 司的m i c r o l y n x 。v u l c a n 可根据多层扫描图像，将所有单一扫描的三维三角表 面模型相叠加，创建出包含所有数据点的，综合的球形表面的三维表面模型。 m i c r o l y n x 是的一个专门面向地质采矿用户的软件系统，在微机平台上用来帮 助地质学家和工程技术人员进行矿山开发、矿藏评价和采矿规划。 2 4 2 科学计算可视化国内发展趋势 我国学者自2 0 世纪9 0 年代初开始进行科学计算可视化技术的研究，取得了 丰硕的研究成果。从1 9 9 1 年起，我国将科学计算可视化的研究列为了国家自然 科学基金重点项目，八六三高技术项目及用户委托的应用项目。先后对规则数 据场的体绘制算法、面绘制算法、非规则数据场可视化、散乱数据可视化、科 学计算可视化的并行算法、三维复杂模型的多分辨率的表示等问题进行了研究 并将其应用于气象数据、医学数据及石油勘探数据的可视化。并且围绕三维数 据场可视化这一课题，出版了不少书籍。但总的说来，应用的范围以及应用的 深度都还不够。 可视化在地质上的应用也进入了一个新的发展阶段，从最初的完全依靠技 术人员的经验，到大量使用计算机进行定量分析，大大提高了地质研究的速度 和精度，从仅仅利用计算机对地质数据进行单一的计算，进入了地质可视化分 析阶段。当前，国内也己经开发了不同的工程地质应用软件等，但是这些软件 大多不具备地质结构三维可视化的功能。目前，实现地质结构计算机图形可视 化，己经成为国内地质软件开发研究的难点。 2 5 可视化的基本流程和主要绘制算法 2 5 1 可视化的基本流程 尽管可视化中数据的类型各不相同，数据分布及连接关系的差别也很大， 9 成都理工大学硕士学位论文 其可视化的基本流程却大体相同，主要为三个子过程： ( 1 ) 数据预处理( d a t ap r e p r o c e s s i n g ) ( 2 ) 可视化映射( v i s u a f i z a t i o nm a p p i n g ) ( 3 ) 绘制( r e n d e r i n g ) 数据的预处理主要是完成数据的过滤，使原始数据得到增强，并转换为适 合后续可视化操作的表示形式。这一过程的主要操作还包括网格化、插值、梯 度计算以及格式转换等。 可视化映射是整个可视化过程的核心。其含义是，将经过处理的原始数据 转换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形中应该看到什么，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。这里随着应用领域的不同、数据类型的不同，从而采用不同的可 视化技术。 绘制将映射产生的几何图素和属性转换为可供显示的图像，所用的方法是 计算机图形学中的基本技术，包括视变换、光照计算、隐藏面消除以及扫描变 换等。 最后是图像变换和显示。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。 2 5 2 可视化的主要绘制算法 一般地，根据是否在数据场中构造中间几何元素，可视化绘制算法i l l 可以分 为面绘制( s u r f a c er e n d e r i n g ) 和体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ) 两大类。而体绘 制算法又分为： 光线投射算法( r a y c a s t i n g ) 光线投射是典型的图像空间扫描的体绘制算法。其基本思路是：从屏幕图 像的每一个象素沿视线方向发射出一条光线，每一条这样的光线在穿透数据场 的过程中要按照一定的密度对数据场进行重采样，最后将所有采样值( 由前至 后或由后至前) 做图象合成，以生成可视的图像。 这种算法的优点是可以综合地反映数据场的全貌，当数据场中记录的特征 分布没有固定形状时( 如云雾和流体) ，该算法的优越性更加突出。当然，这种 第2 章科学计算可视化 早期算法的缺点也是明显的，由于没有考虑和利用不同视线方向上计算之间的 联系，每次都要遍历整个数据场，因而绘制的时间代价往往是很大的。鉴于此， 很多人都提出了不同的改进算法，例如利用二分树分层次地将数据场组织起来， 加速绘制过程。 ( 2 ) 足迹表体素投影算法( f o o t p r i n tp r o j e c t i o n ) 这是一种典型的物体空间扫描的体绘制算法，初级的物体空间扫描的体绘 制算法是分割立方体算法( d i v i d i n gc u b e s ) 该算法实现简便，但生成的图像往 往有较严重的走样现象。足迹表算法的基本思想是：按照某种次序( 在实现的 方向上由前向后或相反) ，将数据场中的各个体素逐一“投影”到图象平面，同 时进行图象合成。这里的投影计算是按照事先设计好的足迹表进行的( 足迹表 的种类、阶次均可选择) ，因为图像的精细程度可以与其他算法相当，尤其是在 处理稀疏数据场时，这种算法具有很大的优势。 ( 3 ) 移动立方体算法( m a r c h i n gc u b e s ) 移动立方体算法是规则数据场面绘制( s u r f a c er e n d e r i n g ) 的经典算法，就 是通过构造中间几何元素来表现数据场中的特定属性分布( 通常是相应的等值 面) 。移动立方体是指逐一扫描数据场中相邻体素组成的立方体，根据立方体八 个顶点的数值确定是否有等值面穿过该立方体，如果有立方体通过，还要进一 步确定立方体中的三角面片来逼近等值面。由于对任何立方体的上述判断都是 独立进行的，所以实现起来较为方便。同时，一旦有了用三角面片表示的等值 面，每次绘制就不必遍历所有的体素，从而可以大大提高绘制速度。另外，由 计算机硬件提供的图形绘制功能也可以直接在这种算法得以充分利用。但是移 动立方体算法存在两个弱点，针对其弱点提出的改进算法最主要的有移动四面 体算法( m a r c h i n gt e t r a h e d r a ) 和渐近线法。 ( 4 ) 子区域投影算法( s u b - v o l u m ep r o j e c t i o n ) 子区域投影算法主要是利用数据场中函数值的分布一般具有空间连贯性的 特点，对体素投影算法进行了改进。其算法思想是：经过预处理分离出数据场 中由不同物质组成的子区域，记录下位于各子区域边界上的体素和边界面：每次 确定视线方向之后，首先对边界面做深度排序，然后以子区域为单位进行投影 合成。 ( 5 ) s h e a r & w a r p i n g 算法 体绘制的时间消耗主要来自重采样计算。由于视线方向的任意性，通常算 法中每次重采样计算都是和空间的三个方向相关的，这样就无形中增加了计算 成都理_ t 大学硕十学位论文 工作量。s h e a r & w a r n i n g 算法的思想是：在视点确定后，对数据场作相应的裁 切( s h e a r ) 处理，在完成重采样计算之后，在通过对中间图形的变形( w a r p i n g ) 处理得到的最终图象。由于剪切处理可以使得数据点沿视线方向对准，使得重 采样只需考虑二维范围的影响，从而降低了计算的复杂度，加快了绘制速度。 在加速重采样方面，近些年提出了频域体绘制算法( f r e q u e n c y d o m a i n v o l u m er e n d e r i n g ) ，方法是将在空域实现的重采样和图像合成过程在频域实现， 从理论上频域体绘制算法可以极大地提高绘制速度，但在实现过程中还有很多 问题需要解决。 第3 章体绘制与0 p e n g l 第3 章体绘制与o p e n g l 在科学计算可视化的研究领域，体绘制技术是一个重要的研究方向。此类技 术在一定程度上脱离了传统图形学的点、线、面的束缚，对象不再是以点、线、 面等传统图形学表示形体的方法组成的三维实体，而是由体素作为基本的单元， 数据场是由大量的体素组成的。对于此类数据场的绘制方法不同于传统的面绘制 方法。它采用体光照模型直接从三维数据场中绘制出各类物理量的分布情况。由 于放弃了等值面等几何表示方法。因此，体绘制常被称为直接体绘制。 3 1 体绘制技术 3 1 1 体绘制的基本概念 体绘制技术是一种基于光学映射的方法，这种方法通过模拟光线在物体内部 的一系列光学现象，使得到的体绘制图像更具真实感、便于分析和想象。对于一 个通用的可视化系统，需要提供多种可视化工具以满足不同对象或同一对象的不 同表示。 光学映射法将三维数据场映射到一个具有透明特性，由体素作为基本造型单 元的系统。通过该系统描述光线穿过体数据场，在一定光照条件下呈现出来的各 种亮斑、颜色等照明特性，从而反映数据场的整体信息和内部信息。光学法的优 点就是可以一次性地反映整个数据场的全部信息，特别是内部信息，但是计算量 较大。 具体模拟的过程为：光线在一个由数据体表示的传播媒介中传播，这种媒 介是由有色、半透明的胶体构成的，胶体的颜色和不透明度由标量数组决定。 当光线通过数据体时，将与胶体发生作用，如光线可能被吸收或散射掉，胶体 自身还可能在发光。此钋还有许多其他类型的交互作用，如磷光现象和荧光现 象。由于体绘制的目的是数据可视化而不是物理现象的精确模拟，我们可以忽 略光学模型中与可视化关系小大的部分。在简化的光学模型中，体绘制算法产 生的图像是通过计算光线如何到达图像的每个像素得到的。 3 1 2 体绘制的光学模型 成都理工大学硕士学位论文 体绘制技术要实现的一个重要的功能，就是计算全部采样点对屏幕像素的 贡献，在黑白图像中，i 表示灰度值( i = 0 时为黑色，i = l 时为白色) 。在彩色图像 中，对红、绿、蓝这3 个彩色分量会有不同的i 值，我们可以光学来计算这三个颜 色小同的i 值，光学模型是用来三维数据是如何产生、反射、阻挡以及散射光线 的，从而计算出全部采样点对屏幕的贡献。在这里，我们假设连续分布的三维 数据场中粒子可以发光、吸收、反射。从而使得光线通过三维数据场时发生变 化。常见的有以下不同的光学模型。 ( 1 ) 光吸收模型：这是光学模型中最简单的一种，这种模型三维空间中的 粒子可以完全吸收射入光线，从而无反射和发光功能。可以用式子( 3 1 ) 说明： j ( s ) = i oc x p ( 一【r ( t ) d t ) ( 3 - 1 ) 式中，s 为光线投射方向的长度参数，i ( s ) 距离处的光线强度，f ( f ) 是光线强 度的衰减系数，厶是光线进入三维数据场时的光线强度。 ( 2 ) 光线发射模型：在三维空间数据场及悬浮状物质的可视化中，三维空 间小粒子均具有吸收、反射或发射光线的功能。但是，在火焰、高温气体等的 可视化中，可以认为小粒子是很小的，而且是透明的，但是发出的光线却很强。 此时我们可以认为这种小粒子仅具有发射光线的功能。可以用式子( 3 - 2 ) 说明： 7 ( 曲2 厶+ i 删出 1 式中，g ( t ) 为光源项，厶为初始光强值，s 为沿光线射入方向的长度参数。 ( 3 ) 光线吸收与发射模型：这一模型可以有效地应用于三维医学图像数据 或数值计算数据的可视化中。它是将光线吸收模型与发射模型有机结合起来， 较好地反映光线在充满粒子的三维空间中的变化。可以用式子( 3 - 3 ) 说明： ，( d ) 2 l o t ( d ) + c ( i r ( d ” ( 3 3 ) 式中c 为发光强度，1 - ，( d ) 表示小透明度，式( 3 - 3 ) 表示背景光厶与所赋 颜色值c 在透明度t ( d ) 作用下的合成值。 3 1 3 体绘制技术及特点 在现实世界中，有许多场景是不能用简单的面来表示的。实际上，这些场 景形成的数据中并不包含真实面，如烟、火、云、雾等。在这种情况下，面绘 4 第3 章体绘制与0 p e n g l 制技术就不适用了，直接体绘制为研究者理解数据中有趣的信息提供了一种更 加有用的方法。近年来，直接体绘制技术已经成为三维数据场可视化的一种重 要方法，它在许多应用中能产生高质量的图像，并且已经特别成功地应用在医 学可视化中。与面绘制方法相比，直接体绘制的主要优点是它可以使用来自一 个物体的表面和内部的数据，而不仅仅限制用来显示由阙值确定的等值面上的 数据。这一点在医学可视化中特别有价值，其中，数据场包含了许多物体，它 们大小不一，并且大小各异的物体间的关系特别重要。因此直接体绘制又被简 称为体绘制。在这种环境中，一个简单的等值面通常不能描绘要求的全部细节。 至今，已经发展了几种直接体绘制技术，它们各有特点，但也存在如下共同特 征： ( 1 ) 与面绘制不同，直接体绘制不借助中间几何图元，直接将数据场绘制 n - - 维图像屏幕上； ( 2 ) 不仅可以绘制面，还可以展现物体内部结构，这是直接体绘制技术得 到广泛使用的重要原因之一：直接体绘制计算量很大。并且当视点改变时，图 像必须进行大量的重新计算。 3 2 体绘制原理 在解决三维数据场的可视化问题中，比较成熟的技术就是体绘制技术 ( v o l u m er e n d e r i n g ) 从三维标量数据场生成图像的方法。这种可视化技术 是基于光线在有色、半透明的介质中传输的物理模型。本节将从体绘制方程简 化出体绘制近似合成公式，这个公式是研究体绘制算法的起点。另外还将描述 体绘制的过程及体绘制模型。 3 2 1 体绘制方程 体绘制算法的输入是三维标量数组，我们将这个数组称为数据体( d a t a v o l u m e ) ，简称体( v o l u m e ) 。数组中的每个元素则被称为体元( v o x e l ) ，有些体 绘制算法认为每个体元代表一个具有恒定标量值的小立方体。 光线传播遵从传输理论中的波尔兹曼方程( 描述粒子流如光子通过环境时 的分布统计规律) 。在这里简单地引用一下传输理论在图形学中应用的结果。 光子流在一个封闭的环境中很容易达到平衡状态，即在特定方向范围内通 过给定空蚓区域的光子数目小随时间发生变化。因此，考虑数据体内点r 的微分 成都理工大学硕士学位论文 体内沿方向w 的角微分区域运动的光子，对各种类型的交互引起的光子数量的改 变量求和，则实际变化量应当为零。 我们不用光子数，而用面辐射强度( r a d i a n c e ) 来写能量平衡方程。设l ( r ，w ) 来记面辐射强度，它表示在点按方向由光子所传输的功率密度。那么能量平衡 方程指的是光线的面辐射强度的方向导数等于在数据体因各种交互而得到或是 取得能量之和，如式( 3 - 4 ) ： w v l ( ，w ) = 叫( ，) 工( ，w ) + ( ，w ) + s k ( ，w jw ) 三( r ，w