水环境数值模拟与可视化技术

什么是可视化?

种类繁多的信息源产生的大量数据，远远超出了人脑分析解释这些数据的能力。由于缺乏大量数据的有效分析手段，大约有95%的计算被浪费，这严重阻碍了科学研究的进展。为此，美国计算机成像专业委员会提出了解决方法--可视化。可视化技术作为解释大量数据最有效的手段而率先被科学与工程计算领域采用，并发展为当前热门的研究领域--科学可视化。 可视化把数据转换成图形，给予人们深刻与意想不到的洞察力，在很多领域使科学家的研究方式发生了根本变化。可视化技术的应用大至高速飞行模拟，小至分子结构的演示，无处不在。在互联网时代，可视化与网络技术结合使远程可视化服务成为现实，可视区域网络因此应运而生。它是SGI公司在2002年3月提出的新理念。它的核心技术是可视化服务器硬件和软件。 科学可视化的主要过程是建模和渲染。建模是把数据映射成物体的几何图元。渲染是把几何图元描绘成图形或图像。渲染是绘制真实感图形的主要技术。严格地说，渲染就是根据基于光学原理的光照模型计算物体可见面投影到观察者眼中的光亮度大小和色彩的组成，并把它转换成适合图形显示设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色和光照效果，最终生成具有真实感的图形。真实感图形是通过物体表面的颜色和明暗色调来表现的，它和物体表面的材料性质、表面向视线方向辐射的光能有关，计算复杂，计算量很大。因此工业界投入很多力量来开发渲染技术。

可视化硬件

可视化硬件主要是图形工作站和超级可视化计算机。图形工作站广泛采用RISC处理器和UNIX操作系统。具有丰富的图形处理功能和灵活的窗口管理功能，可配置大容量的内存和硬盘，具有良好的人机交互界面、输入/输出和网络功能完善，主要用于科学技术方面。 1997年SGI推出了不用总线的UMA结构O2工作站。它采用高带宽的存储器系统，取消了视频卡、图形卡、图像卡。图形处理、图像处理、视频处理、存储器和主存储器用一个统一的存储器系统代替，带宽可达到2.1GB/s。CPU和视频显示可直接访问统一的存储器系统。此外，它还有一个单独的窗口界面，能让用户通过该窗口访问Web站点，而一个文件列表在窗口顶部，方便用户对媒体资源进行管理。 2000年SGI推出强力台式工作站Octane2。Octane2把具有突破性的新一代Vpro3D图形系统、先进的交叉开关(Crossbar)结构和最新的MIPS RISC处理器有机地结合在一起。有了Octane2及其空前的精确性、交互性和快速的图形功能，用户可以解决最富有挑战性的三维造型、可视化及图形处理问题。 Octane2含有集成在一块芯片上的OpenGL 1.2的核心功能及图像扩展的部分硬件加速功能。可用硬件实现镜面光照计算、能够快速准确地展现曲面，并具有48比特RGBA功能。它是当今高水准的可视化台式工作站。它可为用户提供双通道的双头显示。 2000年7月SGI推出了可视化与超级计算完美结合的Onyx 3000系列超强图形系统。 Onyx 3000在模块化方面迈出了一大步。系统硬件由7种模块构成:图形扩展模块G-brick，基本输入/输出扩展模块I-brick，PCI扩展模块P-brick，高性能I/O扩展模块X-brick，路由器互连扩展模块R-brick，CPU扩展模块C-brick和磁盘扩展模块D-brick。全机采用NUMA3体系结构。高性能的模块化连通性有利于把超级计算能力和可视化处理无缝集成。全机可由2个CPU扩展到512个CPU。Onyx3000采用InfiniteReality3图形处理流水线，可实时地对三维形体进行渲染。其中包括色彩、透明、纹理、光照等功能。 2002年2月SGI推出Onyx3000IP机，采用性能更好的Infinite Performance图形处理流水线，速度更快、图形更精致。Onyx3000其卓越的性能和灵活性可使用户得到惊人的视觉真实效果，并充分保护用户的投资。

可视化软件

可视化软件一般分为三个层次。 第一层是操作系统，该层的一部分程序直接和硬件打交道，控制工作站或超级计算机各种模块的工作，另一部分程序可进行任务调度，视频同步控制，以TCP/IP方式在网络中传输图形信息及通信信息。 第二层为可视化软件开发工具，它用来帮助开发人员设计可视化应用软件。 第三层为各行各业采用的可视化应用软件。 大多数可视化工作一般都在图形工作站上进行，少数大型的、需要协同工作的可视化工作在超级图形计算机上进行。 SGI是视算技术的先驱之一，在强有力的高速图形硬件支持下，SGI推出了一系列功能强大的可视化软件开发工具，如IRISGL(图形库)、IL(图像库)、VL(视频库)、ML(电影库)、CASE Vision(软件工程可视化开发工具)等，其中IRISGL后来被工业界接受，成为业界开放式标准，称为OpenGL。 OpenGL支持一种立即方式的接口，信息可以直接流向显示器。SGI还开发出许多OpenGL的应用程序接口(API)，如OpenGL Optimizer是一种多平台工具箱，提供高层次的构造、交互操作，在CAD/CAM/CAE和AEC的应用中提供最优的图形功能。OpenGL Volumizer是体渲染的突破性工具，便于对基于体素的数据集可视化。OpenGL Performer是实时三维图形渲染工具。OpenGL Inventor是三维视景处理工具。Open GL VizServer是一种提供远程可视化服务的工具。 自从OpenGL推出以来，已有两千多个三维图形应用软件在其上开发出来。如A/W公司的三维动画软件Maya、PTC公司的CAD/CAM/CAE应用软件Pro/Engnieer。Landmark公司的石油勘探与开发软件R2003,MultiGen公司的视景仿真软件Paradigm等。

数据可视化

数据可视化是利用计算机图形学和图像处理技术 ，关于数据表现形式的科学技术研究 。

可视化区域网络

当前推动图形技术进步的动力是: ·随着数据的不断增长，能提供商品化的图形渲染产品; ·随着数据的不断增长，能经济地提供大量数据的宽带网络; ·为了加强协作，要求为全球性的团体提供全球化的数据。 解决以上三个问题的核心技术是:采用可扩展的图形计算机，例如Onyx3000和采用OpenGL VizServer远程可视化服务器软件。采用OpenGLVizServer后，可以使通用的客户机设备通过网络访问先进的可视化计算资源。 以Onyx超强可视化计算机和远程可视化服务器软件OpenGL VizServer为核心的可视化区域网络(VAN)可供全球性的群体利用一般的客户机通过互联网访问放置在某处的超强可视化计算资源。

为什么VAN现在可行?

五年前，由于技术上的原因，人们集中在开发先进的图形渲染技术。而当前主要的问题是如何使图形渲染产品变得更便宜。今后五年内主要问题是如何使图形渲染结果能供任何地方的群体和个人使用。 要解决以上问题可采用VizServer 2.0软件，这可以使全球任何地方的团体和个人得到图形渲染的结果，这是实现可扩展的、协同式的、全球可得到的图形关键。VizServer消除了要和先进的图形渲染系统必须有形连接的障碍，使得协同研究可以不受地理位置的限制，实现应用透明的协作。

VizServer如何工作?

·图形渲染完全在超强的可视化计算资源(如Onyx3000)上实现; ·图形渲染结果一帧一帧地通过网络传送给客户端; ·客户端对图形渲染结果解压缩。 客户端只要发送控制流，而后端的可视化资源根据客户要求发送数据流(见附图)。在VAN中首先要有先进的可视化结点，例如可采用机构级的Onyx3000或部门级的Onyx300或个体级的SiliconGraphicsFuel工作站或Onyx3000先进可视化计算机，其次要采用远程可视化服务器软件OpenGLVizServer2.0。VizServer的应用性能、带宽均能满足在当前现有网络上经济地传送图形渲染结果的要求。

远程可视化服务器的应用

SGI公司在加拿大演示了远程可视化服务。2001年11月8日SGI宣布该公司进行的远程可视化服务试验获得了成功。这次演示的目的在于展示SGI公司基于SGIOpenGLVizServer技术开发的SGI可视化服务环境的各种功能和整体性能。SGI公司从2001年6月到8月，在CANARIE公司贯穿整个加拿大的高带宽网--CA*net3上进行了这次远程可视化服务试验。所使用的OpenGLVizServer解决方案使得运行IRIX、Linux、Solaris或WindowsNT操作系统的普通台式机用户也能够使用SGI Onyx3000系列高性能可视化系统的所有功能。这一解决方案实现了广大网络用户通过网格共享网格上的数据、计算能力以及可视化系统等资源。所谓的网格计算是一种通过Internet或专用网络，将分布在不同地理位置的各种计算资源，如超级计算机、机群、存储系统和可视化系统，进行互联，形成一个资源整体的方法。 这次试验使用了位于McConnell大学McConnell脑图像研究中心的一台SGIOnyx系列可视化系统，并从距离该中心100到1900英里远的城市远程运行这一系统生成的各种图形显示和操作功能。试验的结果再次证实了桌面工作站能够交互地访问位于蒙特利尔的一台SGIOnyx系列系统上生成的图形，可视化服务使任何用户都能够通过网格，与超级计算结果进行交互。现在，全加拿大的科学家都能够使用位于加拿大境内任何地方计算的可视化资源，并且能够在他们的桌面电脑上对这些资源实现交互可视化。 SGI公司在格拉斯哥的科学中心召开了该公司的可视化峰会，其间，SGI以生动的方式向观众展示了可视化区域网络概念的最新进展。有了可视化区域网络，科学家和工程师能在一个地方进行数据存储和处理;然后，所有人都可以使用网络上的任意一台客户端设备，单独地或者通过现有网络协同地操作这些数据，这样，世界各地的外科医生、科学家、工程师和创新型技术人员就都可以利用高性能计算机的强大功能了。