水環(huán)境數(shù)值模擬與可視化技術(shù)

什么是可視化?

種類繁多的信息源產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人腦分析解釋這些數(shù)據(jù)的能力。由于缺乏大量數(shù)據(jù)的有效分析手段，大約有95%的計(jì)算被浪費(fèi)，這嚴(yán)重阻礙了科學(xué)研究的進(jìn)展。為此，美國(guó)計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會(huì)提出了解決方法--可視化?？梢暬夹g(shù)作為解釋大量數(shù)據(jù)最有效的手段而率先被科學(xué)與工程計(jì)算領(lǐng)域采用，并發(fā)展為當(dāng)前熱門(mén)的研究領(lǐng)域--科學(xué)可視化。 可視化把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形，給予人們深刻與意想不到的洞察力，在很多領(lǐng)域使科學(xué)家的研究方式發(fā)生了根本變化?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用大至高速飛行模擬，小至分子結(jié)構(gòu)的演示，無(wú)處不在。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，可視化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合使遠(yuǎn)程可視化服務(wù)成為現(xiàn)實(shí)，可視區(qū)域網(wǎng)絡(luò)因此應(yīng)運(yùn)而生。它是SGI公司在2002年3月提出的新理念。它的核心技術(shù)是可視化服務(wù)器硬件和軟件。 科學(xué)可視化的主要過(guò)程是建模和渲染。建模是把數(shù)據(jù)映射成物體的幾何圖元。渲染是把幾何圖元描繪成圖形或圖像。渲染是繪制真實(shí)感圖形的主要技術(shù)。嚴(yán)格地說(shuō)，渲染就是根據(jù)基于光學(xué)原理的光照模型計(jì)算物體可見(jiàn)面投影到觀察者眼中的光亮度大小和色彩的組成，并把它轉(zhuǎn)換成適合圖形顯示設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫(huà)面上每一像素的顏色和光照效果，最終生成具有真實(shí)感的圖形。真實(shí)感圖形是通過(guò)物體表面的顏色和明暗色調(diào)來(lái)表現(xiàn)的，它和物體表面的材料性質(zhì)、表面向視線方向輻射的光能有關(guān)，計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量很大。因此工業(yè)界投入很多力量來(lái)開(kāi)發(fā)渲染技術(shù)。

可視化硬件

可視化硬件主要是圖形工作站和超級(jí)可視化計(jì)算機(jī)。圖形工作站廣泛采用RISC處理器和UNIX操作系統(tǒng)。具有豐富的圖形處理功能和靈活的窗口管理功能，可配置大容量的內(nèi)存和硬盤(pán)，具有良好的人機(jī)交互界面、輸入/輸出和網(wǎng)絡(luò)功能完善，主要用于科學(xué)技術(shù)方面。 1997年SGI推出了不用總線的UMA結(jié)構(gòu)O2工作站。它采用高帶寬的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，取消了視頻卡、圖形卡、圖像卡。圖形處理、圖像處理、視頻處理、存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器用一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)器系統(tǒng)代替，帶寬可達(dá)到2.1GB/s。CPU和視頻顯示可直接訪問(wèn)統(tǒng)一的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。此外，它還有一個(gè)單獨(dú)的窗口界面，能讓用戶通過(guò)該窗口訪問(wèn)Web站點(diǎn)，而一個(gè)文件列表在窗口頂部，方便用戶對(duì)媒體資源進(jìn)行管理。 2000年SGI推出強(qiáng)力臺(tái)式工作站Octane2。Octane2把具有突破性的新一代Vpro3D圖形系統(tǒng)、先進(jìn)的交叉開(kāi)關(guān)(Crossbar)結(jié)構(gòu)和最新的MIPS RISC處理器有機(jī)地結(jié)合在一起。有了Octane2及其空前的精確性、交互性和快速的圖形功能，用戶可以解決最富有挑戰(zhàn)性的三維造型、可視化及圖形處理問(wèn)題。 Octane2含有集成在一塊芯片上的OpenGL 1.2的核心功能及圖像擴(kuò)展的部分硬件加速功能?？捎糜布?shí)現(xiàn)鏡面光照計(jì)算、能夠快速準(zhǔn)確地展現(xiàn)曲面，并具有48比特RGBA功能。它是當(dāng)今高水準(zhǔn)的可視化臺(tái)式工作站。它可為用戶提供雙通道的雙頭顯示。 2000年7月SGI推出了可視化與超級(jí)計(jì)算完美結(jié)合的Onyx 3000系列超強(qiáng)圖形系統(tǒng)。 Onyx 3000在模塊化方面邁出了一大步。系統(tǒng)硬件由7種模塊構(gòu)成:圖形擴(kuò)展模塊G-brick，基本輸入/輸出擴(kuò)展模塊I-brick，PCI擴(kuò)展模塊P-brick，高性能I/O擴(kuò)展模塊X-brick，路由器互連擴(kuò)展模塊R-brick，CPU擴(kuò)展模塊C-brick和磁盤(pán)擴(kuò)展模塊D-brick。全機(jī)采用NUMA3體系結(jié)構(gòu)。高性能的模塊化連通性有利于把超級(jí)計(jì)算能力和可視化處理無(wú)縫集成。全機(jī)可由2個(gè)CPU擴(kuò)展到512個(gè)CPU。Onyx3000采用InfiniteReality3圖形處理流水線，可實(shí)時(shí)地對(duì)三維形體進(jìn)行渲染。其中包括色彩、透明、紋理、光照等功能。 2002年2月SGI推出Onyx3000IP機(jī)，采用性能更好的Infinite Performance圖形處理流水線，速度更快、圖形更精致。Onyx3000其卓越的性能和靈活性可使用戶得到驚人的視覺(jué)真實(shí)效果，并充分保護(hù)用戶的投資。

可視化軟件

可視化軟件一般分為三個(gè)層次。 第一層是操作系統(tǒng)，該層的一部分程序直接和硬件打交道，控制工作站或超級(jí)計(jì)算機(jī)各種模塊的工作，另一部分程序可進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，視頻同步控制，以TCP/IP方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸圖形信息及通信信息。 第二層為可視化軟件開(kāi)發(fā)工具，它用來(lái)幫助開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)可視化應(yīng)用軟件。 第三層為各行各業(yè)采用的可視化應(yīng)用軟件。 大多數(shù)可視化工作一般都在圖形工作站上進(jìn)行，少數(shù)大型的、需要協(xié)同工作的可視化工作在超級(jí)圖形計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。 SGI是視算技術(shù)的先驅(qū)之一，在強(qiáng)有力的高速圖形硬件支持下，SGI推出了一系列功能強(qiáng)大的可視化軟件開(kāi)發(fā)工具，如IRISGL(圖形庫(kù))、IL(圖像庫(kù))、VL(視頻庫(kù))、ML(電影庫(kù))、CASE Vision(軟件工程可視化開(kāi)發(fā)工具)等，其中IRISGL后來(lái)被工業(yè)界接受，成為業(yè)界開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，稱為OpenGL。 OpenGL支持一種立即方式的接口，信息可以直接流向顯示器。SGI還開(kāi)發(fā)出許多OpenGL的應(yīng)用程序接口(API)，如OpenGL Optimizer是一種多平臺(tái)工具箱，提供高層次的構(gòu)造、交互操作，在CAD/CAM/CAE和AEC的應(yīng)用中提供最優(yōu)的圖形功能。OpenGL Volumizer是體渲染的突破性工具，便于對(duì)基于體素的數(shù)據(jù)集可視化。OpenGL Performer是實(shí)時(shí)三維圖形渲染工具。OpenGL Inventor是三維視景處理工具。Open GL VizServer是一種提供遠(yuǎn)程可視化服務(wù)的工具。 自從OpenGL推出以來(lái)，已有兩千多個(gè)三維圖形應(yīng)用軟件在其上開(kāi)發(fā)出來(lái)。如A/W公司的三維動(dòng)畫(huà)軟件Maya、PTC公司的CAD/CAM/CAE應(yīng)用軟件Pro/Engnieer。Landmark公司的石油勘探與開(kāi)發(fā)軟件R2003,MultiGen公司的視景仿真軟件Paradigm等。

數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù) ，關(guān)于數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的科學(xué)技術(shù)研究 。

可視化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前推動(dòng)圖形技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力是: ·隨著數(shù)據(jù)的不斷增長(zhǎng)，能提供商品化的圖形渲染產(chǎn)品; ·隨著數(shù)據(jù)的不斷增長(zhǎng)，能經(jīng)濟(jì)地提供大量數(shù)據(jù)的寬帶網(wǎng)絡(luò); ·為了加強(qiáng)協(xié)作，要求為全球性的團(tuán)體提供全球化的數(shù)據(jù)。 解決以上三個(gè)問(wèn)題的核心技術(shù)是:采用可擴(kuò)展的圖形計(jì)算機(jī)，例如Onyx3000和采用OpenGL VizServer遠(yuǎn)程可視化服務(wù)器軟件。采用OpenGLVizServer后，可以使通用的客戶機(jī)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)先進(jìn)的可視化計(jì)算資源。 以O(shè)nyx超強(qiáng)可視化計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程可視化服務(wù)器軟件OpenGL VizServer為核心的可視化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(VAN)可供全球性的群體利用一般的客戶機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)放置在某處的超強(qiáng)可視化計(jì)算資源。

為什么VAN現(xiàn)在可行?

五年前，由于技術(shù)上的原因，人們集中在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)。而當(dāng)前主要的問(wèn)題是如何使圖形渲染產(chǎn)品變得更便宜。今后五年內(nèi)主要問(wèn)題是如何使圖形渲染結(jié)果能供任何地方的群體和個(gè)人使用。 要解決以上問(wèn)題可采用VizServer 2.0軟件，這可以使全球任何地方的團(tuán)體和個(gè)人得到圖形渲染的結(jié)果，這是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的、協(xié)同式的、全球可得到的圖形關(guān)鍵。VizServer消除了要和先進(jìn)的圖形渲染系統(tǒng)必須有形連接的障礙，使得協(xié)同研究可以不受地理位置的限制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用透明的協(xié)作。

VizServer如何工作?

·圖形渲染完全在超強(qiáng)的可視化計(jì)算資源(如Onyx3000)上實(shí)現(xiàn); ·圖形渲染結(jié)果一幀一幀地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給客戶端; ·客戶端對(duì)圖形渲染結(jié)果解壓縮。 客戶端只要發(fā)送控制流，而后端的可視化資源根據(jù)客戶要求發(fā)送數(shù)據(jù)流(見(jiàn)附圖)。在VAN中首先要有先進(jìn)的可視化結(jié)點(diǎn)，例如可采用機(jī)構(gòu)級(jí)的Onyx3000或部門(mén)級(jí)的Onyx300或個(gè)體級(jí)的SiliconGraphicsFuel工作站或Onyx3000先進(jìn)可視化計(jì)算機(jī)，其次要采用遠(yuǎn)程可視化服務(wù)器軟件OpenGLVizServer2.0。VizServer的應(yīng)用性能、帶寬均能滿足在當(dāng)前現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)濟(jì)地傳送圖形渲染結(jié)果的要求。

遠(yuǎn)程可視化服務(wù)器的應(yīng)用

SGI公司在加拿大演示了遠(yuǎn)程可視化服務(wù)。2001年11月8日SGI宣布該公司進(jìn)行的遠(yuǎn)程可視化服務(wù)試驗(yàn)獲得了成功。這次演示的目的在于展示SGI公司基于SGIOpenGLVizServer技術(shù)開(kāi)發(fā)的SGI可視化服務(wù)環(huán)境的各種功能和整體性能。SGI公司從2001年6月到8月，在CANARIE公司貫穿整個(gè)加拿大的高帶寬網(wǎng)--CA*net3上進(jìn)行了這次遠(yuǎn)程可視化服務(wù)試驗(yàn)。所使用的OpenGLVizServer解決方案使得運(yùn)行IRIX、Linux、Solaris或WindowsNT操作系統(tǒng)的普通臺(tái)式機(jī)用戶也能夠使用SGI Onyx3000系列高性能可視化系統(tǒng)的所有功能。這一解決方案實(shí)現(xiàn)了廣大網(wǎng)絡(luò)用戶通過(guò)網(wǎng)格共享網(wǎng)格上的數(shù)據(jù)、計(jì)算能力以及可視化系統(tǒng)等資源。所謂的網(wǎng)格計(jì)算是一種通過(guò)Internet或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，將分布在不同地理位置的各種計(jì)算資源，如超級(jí)計(jì)算機(jī)、機(jī)群、存儲(chǔ)系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)，進(jìn)行互聯(lián)，形成一個(gè)資源整體的方法。 這次試驗(yàn)使用了位于McConnell大學(xué)McConnell腦圖像研究中心的一臺(tái)SGIOnyx系列可視化系統(tǒng)，并從距離該中心100到1900英里遠(yuǎn)的城市遠(yuǎn)程運(yùn)行這一系統(tǒng)生成的各種圖形顯示和操作功能。試驗(yàn)的結(jié)果再次證實(shí)了桌面工作站能夠交互地訪問(wèn)位于蒙特利爾的一臺(tái)SGIOnyx系列系統(tǒng)上生成的圖形，可視化服務(wù)使任何用戶都能夠通過(guò)網(wǎng)格，與超級(jí)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行交互?，F(xiàn)在，全加拿大的科學(xué)家都能夠使用位于加拿大境內(nèi)任何地方計(jì)算的可視化資源，并且能夠在他們的桌面電腦上對(duì)這些資源實(shí)現(xiàn)交互可視化。 SGI公司在格拉斯哥的科學(xué)中心召開(kāi)了該公司的可視化峰會(huì)，其間，SGI以生動(dòng)的方式向觀眾展示了可視化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)概念的最新進(jìn)展。有了可視化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家和工程師能在一個(gè)地方進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理;然后，所有人都可以使用網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺(tái)客戶端設(shè)備，單獨(dú)地或者通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)同地操作這些數(shù)據(jù)，這樣，世界各地的外科醫(yī)生、科學(xué)家、工程師和創(chuàng)新型技術(shù)人員就都可以利用高性能計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能了。