景觀建模：景觀可視化的數(shù)字技術(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%的計算被浪費，這嚴(yán)重阻礙了科學(xué)研究的進(jìn)展。為此，美國計算機成像專業(yè)委員會提出了解決方法--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)與工程計算領(lǐng)域采用，并發(fā)展為當(dāng)前熱門的研究領(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，無處不在。在互聯(lián)網(wǎng)時代，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，可視區(qū)域網(wǎng)絡(luò)因此應(yīng)運而生。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。渲染是繪制真實感圖形的主要技術(shù)。嚴(yán)格地說，渲染就是根據(jù)基于光學(xué)原理的光照模型計算物體可見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，從而確定投影畫面上每一像素的顏色和光照效果，最終生成具有真實感的圖形。真實感圖形是通過物體表面的顏色和明暗色調(diào)來表現(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)，計算復(fù)雜，計算量很大。因此工業(yè)界投入很多力量來開發(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可視化計算機。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，具有良好的人機交互界面、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、存儲器和主存儲器用一個統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)代替，帶寬可達(dá)到2.1GB/s。CPU和視頻顯示可直接訪問統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)。此外，它還有一個單獨的窗口界面，能讓用戶通過該窗口訪問Web站點，而一個文件列表在窗口頂部，方便用戶對媒體資源進(jìn)行管理。 2000年SGI推出強力臺式工作站Octane2。Octane2把具有突破性的新一代Vpro3D圖形系統(tǒng)、先進(jìn)的交叉開關(guān)(Crossbar)結(jié)構(gòu)和最新的MIPS RISC處理器有機地結(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。可用硬件實現(xiàn)鏡面光照計算、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計算完美結(jié)合的Onyx 3000系列超強圖形系統(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和磁盤擴(kuò)展模塊D-brick。全機采用NUMA3體系結(jié)構(gòu)。高性能的模塊化連通性有利于把超級計算能力和可視化處理無縫集成。全機可由2個CPU擴(kuò)展到512個CPU。Onyx3000采用InfiniteReality3圖形處理流水線，可實時地對三維形體進(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，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真實效果，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，控制工作站或超級計算機各種模塊的工作，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發(fā)工具，它用來幫助開發(fā)人員設(shè)計可視化應(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圖形計算機上進(jìn)行。 SGI是視算技術(shù)的先驅(qū)之一，在強有力的高速圖形硬件支持下，SGI推出了一系列功能強大的可視化軟件開發(fā)工具，如IRISGL(圖形庫)、IL(圖像庫)、VL(視頻庫)、ML(電影庫)、CASE Vision(軟件工程可視化開發(fā)工具)等，其中IRISGL后來被工業(yè)界接受，成為業(yè)界開放式標(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還開發(fā)出許多OpenGL的應(yīng)用程序接口(API)，如OpenGL Optimizer是一種多平臺工具箱，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，便于對基于體素的數(shù)據(jù)集可視化。OpenGL Performer是實時三維圖形渲染工具。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，已有兩千多個三維圖形應(yīng)用軟件在其上開發(fā)出來。如A/W公司的三維動畫軟件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)可視化是利用計算機圖形學(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)前推動圖形技術(shù)進(jìn)步的動力是: ·隨著數(shù)據(jù)的不斷增長，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，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)。 解決以上三個問題的核心技術(shù)是:采用可擴(kuò)展的圖形計算機，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設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問先進(jìn)的可視化計算資源。 以O(shè)nyx超強可視化計算機和遠(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通過互聯(lián)網(wǎng)訪問放置在某處的超強可視化計算資源。

為什么VAN現(xiàn)在可行?

五年前，由于技術(shù)上的原因，人們集中在開發(fā)先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)。而當(dāng)前主要的問題是如何使圖形渲染產(chǎn)品變得更便宜。今后五年內(nèi)主要問題是如何使圖形渲染結(jié)果能供任何地方的群體和個人使用。 要解決以上問題可采用VizServer 2.0軟件，這可以使全球任何地方的團(tuán)體和個人得到圖形渲染的結(jié)果，這是實現(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的可視化計算資源(如Onyx3000)上實現(xiàn); ·圖形渲染結(jié)果一幀一幀地通過網(wǎng)絡(luò)傳送給客戶端; ·客戶端對圖形渲染結(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(見附圖)。在VAN中首先要有先進(jìn)的可視化結(jié)點，例如可采用機構(gòu)級的Onyx3000或部門級的Onyx300或個體級的SiliconGraphicsFuel工作站或Onyx3000先進(jìn)可視化計算機，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。所使用的OpenGLVizServer解決方案使得運行IRIX、Linux、Solaris或WindowsNT操作系統(tǒng)的普通臺式機用戶也能夠使用SGI Onyx3000系列高性能可視化系統(tǒng)的所有功能。這一解決方案實現(xiàn)了廣大網(wǎng)絡(luò)用戶通過網(wǎng)格共享網(wǎng)格上的數(shù)據(jù)、計算能力以及可視化系統(tǒng)等資源。所謂的網(wǎng)格計算是一種通過Internet或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，將分布在不同地理位置的各種計算資源，如超級計算機、機群、存儲系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)，進(jìn)行互聯(lián)，形成一個資源整體的方法。 這次試驗使用了位于McConnell大學(xué)McConnell腦圖像研究中心的一臺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)程運行這一系統(tǒng)生成的各種圖形顯示和操作功能。試驗的結(jié)果再次證實了桌面工作站能夠交互地訪問位于蒙特利爾的一臺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網(wǎng)格，與超級計算結(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)任何地方計算的可視化資源，并且能夠在他們的桌面電腦上對這些資源實現(xiàn)交互可視化。 SGI公司在格拉斯哥的科學(xué)中心召開了該公司的可視化峰會，其間，SGI以生動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地方進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和處理;然后，所有人都可以使用網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺客戶端設(shè)備，單獨地或者通過現(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算機的強大功能了。