摘要：為滿足數(shù)據(jù)顯示方式多樣化的需要，基于VS2008開發(fā)環(huán)境和MFC應(yīng)用程序框架，利用OpenCL豐富的三維圖形繪制功能和顏色渲染功能生成漏磁數(shù)據(jù)的三維視圖。實(shí)際測試結(jié)果表明：三維視圖能夠精確、直觀地反映數(shù)據(jù)變化的真實(shí)性，辨識度高，顏色過渡效果理想，增強(qiáng)可讀性和分析效率，對管道缺陷的識別與判斷具有重要意義。

關(guān)鍵詞：漏磁檢測；三維視圖；OpenCL；三角形剖分；插值

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0084-04

引 言

隨著我國石油天然氣事業(yè)的發(fā)展，油氣管道的建設(shè)和使用也隨之繁榮。運(yùn)輸用管道一般埋在地下或海底，其自身運(yùn)行的安全性難以保證。因此，對在役油氣管道進(jìn)行無損檢測，十分必要。

漏磁檢測是管道內(nèi)檢測應(yīng)用中最廣泛的一種無損檢測技術(shù)。針對檢測器采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)會對缺陷進(jìn)行分析、識別、量化與評估，并將最終的處理結(jié)果以圖形化的方式呈現(xiàn)給用戶。美國的Tuboscope公司、德國的ROSEN公司最早采用曲線圖對漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，做出了一定貢獻(xiàn)。國內(nèi)對此方面的研究也卓有成效，天津大學(xué)的魏茂安等研究了漏磁灰度圖像方法，在此基礎(chǔ)上，曹麗娜等又實(shí)現(xiàn)了漏磁偽彩色圖像顯示，進(jìn)一步增強(qiáng)了圖像質(zhì)量。這些二維平面圖雖然可以反映出漏磁信號的變化規(guī)律，但呈現(xiàn)方式單一，辨識度不高，容易出現(xiàn)誤判，漏判等情況，難以滿足用戶對數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的要求。

文章在準(zhǔn)確定位管道缺陷與漏磁信號的對應(yīng)關(guān)系下，研究一種精確、直觀的漏磁數(shù)據(jù)三維顯示方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)三維可視化，增強(qiáng)可讀性和分析效率。

1.數(shù)據(jù)格式

采集數(shù)據(jù)主要包含兩部分：磁數(shù)據(jù)和非磁數(shù)據(jù)。磁數(shù)據(jù)是指由磁敏傳感器采集到的漏磁信號，也是圖像顯示的源數(shù)據(jù)。非磁數(shù)據(jù)則主要包括一些與管道狀態(tài)和檢測器狀態(tài)有關(guān)的信息，如壁厚、壓差、里程數(shù)等。以主磁140通道檢測器為例，在檢測過程中，檢測器每走過2.0mm便通過觸發(fā)脈沖信號使所有主磁傳感器采集漏磁信號（每Im采集500次），每采集一次便可得到140個(gè)磁數(shù)據(jù)，稱為一個(gè)記錄塊。每收集到50個(gè)記錄塊后便采集一次非磁數(shù)據(jù)得到1個(gè)尾塊數(shù)據(jù)。50個(gè)記錄塊和1個(gè)尾塊數(shù)據(jù)形成1個(gè)數(shù)據(jù)塊，整個(gè)文件中的數(shù)據(jù)就是以數(shù)據(jù)塊的形式存儲的，如圖1所示。

2.三維環(huán)境搭建

2.1 0penGL簡介

開放性圖形庫（open graphics lihrary，OpenGL）是一個(gè)性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，是圖形硬件的一種軟件接口。它易于使用且功能強(qiáng)大，在Windows系統(tǒng)下可實(shí)現(xiàn)建模、變換、模式設(shè)置、材質(zhì)設(shè)置、紋理映射等諸多功能。處理數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

2.2 三維變換

在屏幕上搭建三維場景時(shí)，視覺效果通常受4種基本變換的影響，即視點(diǎn)變換、模型變換、投影變換和視口變換。

視點(diǎn)變換在視點(diǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行，與世界坐標(biāo)系遵循右手法則不同，它遵循左手法則，如圖3所示。

當(dāng)矩陣初始化glLoadldentity（）后，可將glTrans-latef（）作視點(diǎn)變換。函數(shù)參數(shù)（x，y，z）表示視點(diǎn)在視點(diǎn)坐標(biāo)系中移動的位置，這里x=-25.0，y=0.0，z=0.0，意思是將視點(diǎn)沿X負(fù)半軸移動25個(gè)單位。

模型變換在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行，可對物體實(shí)施平移glTranslatef（）、旋轉(zhuǎn)glRotatef（）和縮放glScalef（）等操作。

投影變換類似于選擇相機(jī)鏡頭。調(diào)用透視投影函數(shù)glFrustum（），近大遠(yuǎn)小，符合人們習(xí)慣，如圖4所示。在調(diào)用之前使用glMatrixMode（）說明當(dāng)前矩陣方式是投影GL_PROJECTION。

視口變換則是將視景體內(nèi)投影的物體顯示在二維的視口平面上。通常用glViewport（）來定義一個(gè)視口。參數(shù)值（0，0，winWidth.winHeight）指的是屏幕窗口的實(shí)際尺寸大小。

綜上所述，三維圖形轉(zhuǎn)換的流程如圖5所示。

2.3 坐標(biāo)映射

在確定X坐標(biāo)時(shí)，由于每次都是等間隔采集，因此只需獲得當(dāng)前繪制數(shù)據(jù)的記錄號、屏幕最前方數(shù)據(jù)的記錄號以及確定每個(gè)記錄之間的間隔，即可算出該數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)：

x=（N-No）n

（l）式中：X——當(dāng)前繪制數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)；

N——當(dāng)前繪制數(shù)據(jù)的記錄號；

No——屏幕最前方數(shù)據(jù)的記錄號；

n——記錄之間的間隔。

在確定y坐標(biāo)時(shí)，考慮到傳感器陣列沿周向均勻分布，將其映射為鐘點(diǎn)數(shù)。因此只需獲得0號通道鐘點(diǎn)數(shù)，傳感器排列方式和通道總數(shù)即可算出第n號通道所占分鐘數(shù)，以逆時(shí)針排列為例：式中：To——0號通道所占分鐘數(shù)；

n——所求通道的通道號；

M——主磁傳感器的通道總數(shù)。

若Tn<0，則使，最后將所占分鐘數(shù)轉(zhuǎn)化為具體鐘點(diǎn)數(shù)即可。

在確定Z坐標(biāo)時(shí)，為防止圖像顯示不完整，我們采用動態(tài)繪圖法，即根據(jù)當(dāng)前可顯示數(shù)據(jù)的最小值作為基準(zhǔn)參考，對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理再繪制。計(jì)算公式可表示為

Z=（a-anin）·p/q

（3）式中：a——當(dāng)前繪制數(shù)據(jù)值；

amin——當(dāng)前可顯示數(shù)據(jù)最小值；

q——當(dāng)前可顯示數(shù)據(jù)最大值與最小值的差值；

p——沿Z軸方向的最大繪圖高度。

3.三維曲面生成

OpenGL常用三角形作為基本圖元生成三維圖形和曲面，以保證各個(gè)點(diǎn)在同一平面內(nèi)，曲面生成即遍歷各數(shù)據(jù)點(diǎn)。采用三角形剖分算法，在外層的迭代中遍歷所有行，內(nèi)層的迭代中遍歷所有列，列上數(shù)據(jù)點(diǎn)的遍歷順序需要滿足以下條件：

1）數(shù)據(jù)點(diǎn)按每3個(gè)l組的方式進(jìn)行拆分。

2）每組3個(gè)點(diǎn)遵循同一排列次序（順時(shí)針）。

3）相鄰的2組之間存在2個(gè)交集點(diǎn)。

OpenGL提供了多種三角形圖元的繪制方法，其中GL_TRIANGLE_STRIP用于繪制一組相連的三角形。這種方法避免指定相互連接的三角形條帶中重復(fù)出現(xiàn)的頂點(diǎn)。曲面生成過程見圖6。

4.優(yōu)化處理

4.1 數(shù)據(jù)插值

根據(jù)漏磁數(shù)據(jù)特點(diǎn)，我們選擇分段線性捅值【9]。在相鄰兩數(shù)值區(qū)間[a，b]中插入（n，-l）個(gè)數(shù)值，將該區(qū)間劃分為n段，各段點(diǎn)為xo=a，XI，x2…xn=b，在各個(gè)區(qū)間內(nèi)做函數(shù)f（x）的線性捅值，設(shè)捅值函數(shù)為g（x）=gi（x），則：

將各個(gè)區(qū)間的捅值函數(shù)gi（x）連接起來，就可以得到了區(qū)間[a，6]的插值函數(shù)g（x），再根據(jù)線性插值的誤差公式進(jìn)行收斂性判斷，從而完成插值操作以構(gòu)造出更多的圖像數(shù)據(jù)，將原有的低分辨率的數(shù)據(jù)擴(kuò)充為高分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，改善圖像質(zhì)量。

4.2 顏色渲染

Z軸反映了數(shù)據(jù)值大小，還可加入顏色的變化。在OpenGL中可以指定頂點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)指定頂點(diǎn)顏色，若使用缺省設(shè)置，則會自動生成2個(gè)頂點(diǎn)顏色之間的過渡色。采用的是彩虹編碼法，R、G、B3種變換器的變換函數(shù)表達(dá)式為

5.軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)以Visual Sludi0 2008作為開發(fā)環(huán)境，使用MFC應(yīng)用程序框架對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。在該系統(tǒng)中使用OpenGL類庫進(jìn)行了三維視圖設(shè)計(jì)。

5.1 測試結(jié)果

選取2GB容量的勝利油田某段在役管道檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維顯示，效果理想。由圖7可見，存在兩處磁場強(qiáng)度異常的區(qū)域，紅色區(qū)域突出，數(shù)據(jù)值較高，藍(lán)色區(qū)域凹陷，數(shù)據(jù)值較小，綠色區(qū)域平緩，數(shù)據(jù)值穩(wěn)定。對其分析可知兩處均為腐蝕缺陷。X軸里程范圍為2731.26～2733.96m，y軸鐘點(diǎn)范圍為1：16～5：31，Z軸最大值為173.6Gs（1 Gs=10-4T），最小值為91.2Gs，平均值為106.6Gs。

5.2 輔助操作

三維視圖可實(shí)現(xiàn)圖像拖動、數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)和視圖縮放?？s放效果如圖8所示，其中（a）為原缺陷圖，（b）為放大后的缺陷圖。

此外，本軟件系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了三維視圖與其他視圖的自由切換，并且支持同時(shí)打開多個(gè)窗口，系統(tǒng)內(nèi)部通過全局映射機(jī)制以保證多種視圖的同步顯示與更新，保證了分析人員能夠全面綜合進(jìn)行比對分析，快速定位管道缺陷，評價(jià)管道使用狀況，給出維護(hù)建議。

6.結(jié)束語

根據(jù)管道漏磁缺陷內(nèi)檢測器提供的漏磁檢測數(shù)據(jù)，基于Visual Studi0 2008開發(fā)環(huán)境和MFC應(yīng)用程序框架，利用OpenGL豐富的三維圖形繪制功能和顏色渲染功能生成數(shù)據(jù)三維視圖，經(jīng)過測試，不同磁場強(qiáng)度對應(yīng)不同顏色，從而精確、直觀地顯示出漏磁數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。此外，圖像拖動、數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)、縮放等人機(jī)交互操作的實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)化了數(shù)據(jù)分析功能，幫助用戶在最短時(shí)間內(nèi)了解了檢測數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，也有助于對缺陷進(jìn)行識別和量化，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量。