張理慧， 王漢鈞， 趙 亮， 崔京彬， 李詠梅

(1.東方地球物理公司 物探技術(shù)研究中心,涿州 072751；2.東方地球物理公司 采集技術(shù)中心,涿州 072751)

0 引言

隨著地震勘探解釋技術(shù)的發(fā)展，描述復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造時需要多個屬性同時解釋，互相補充驗證。而傳統(tǒng)解釋軟件每次顯示單一的地震屬性數(shù)據(jù)體，有一定的局限性，無法從宏觀上展示地質(zhì)變化，屬性間的差異表現(xiàn)也不明顯。多數(shù)據(jù)融合的概念始于20世紀(jì)70年代，其理論和方法在80年代后開始發(fā)展。其基本策略是先對同一層次的信息進行融合，獲得較高層次的信息，再匯入對應(yīng)的數(shù)據(jù)，融合到更高層次[1]。Liu等[2]從頻域出發(fā)，將低、中、高三個頻段的地震屬性映射到RGB顏色通道，提出基于余弦變換的RGB顏色融合技術(shù)；Guo等[3]對基于視覺顯示的多種顏色融合技術(shù)進行總結(jié)，將這些方法從原理、流程、效果的角度進行對比。而上述理論的應(yīng)用多為二維顯示方面。因此有必要將多個地震屬性數(shù)據(jù)體在三維空間中融合顯示，使得解釋人員更加立體直觀地看到各屬性之間的相互關(guān)系，明確不同屬性，不同地質(zhì)體之間的分界。

在三維空間中進行多屬性體融合具有數(shù)據(jù)量大、體繪制算法計算復(fù)雜度高等特點，需要解決繪制質(zhì)量和繪制速度兩方面的問題。隨著計算機硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代的圖形顯示硬件集成了以GPU為核心的可編程頂點著色器和可編程像素著色器，GPU通用并行計算技術(shù)也獲得諸多應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。地震勘探目前對高性能計算的直接需求是疊前偏移、疊前反演和全波形反演[4]。筆者提出了采用八叉樹結(jié)構(gòu)有效進行數(shù)據(jù)的動態(tài)管理，基于Shader編程技術(shù)，利用GPU可編程管線加速，實現(xiàn)多屬性體融合的三維可視化。GeoEast是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地震資料處理解釋一體化軟件，在GeoEast解釋軟件中,研發(fā)了三維可視化多屬性體融合子系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于RGB映射和屬性加權(quán)的兩種融合技術(shù)，保證了多屬性體高質(zhì)量實時融合渲染，增加地質(zhì)現(xiàn)象成像能力。通過多個實際工區(qū)的測試應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 方法原理

多個地震屬性體融合三維可視化能立體直觀快速地顯示地質(zhì)構(gòu)造，為解釋人員分析地質(zhì)構(gòu)造提供了有效方法。

1.1 傳遞函數(shù)

體繪制也叫體渲染。三維數(shù)據(jù)體被看作是一個基于3D網(wǎng)格的數(shù)據(jù)集，位于網(wǎng)格點上的元素叫體素voxel。體繪制中最核心的就是傳遞函數(shù)(Transfer Function)。傳遞函數(shù)將三維數(shù)據(jù)體中的每個體素值映射為光學(xué)屬性即顏色與不透明度值，以此來區(qū)分三維體數(shù)據(jù)中不同物質(zhì)以及不同屬性，凸顯重要物質(zhì)的信息[5]。傳遞函數(shù)設(shè)定的好壞決定了體繪制的成像質(zhì)量。

1.2 光線投射法

光線投射算法最先由Levoy M.[6]提出，是最經(jīng)典的一種基于圖像空間序列的直接體繪制算法：從圖像的每一個像素，沿固定方向(通常是視線方向)發(fā)射一條光線，光線穿越整個圖像序列，并在此過程中，對圖像序列采樣獲取顏色信息，且依據(jù)光線吸收模型將顏色值累加，最后得到的顏色值就是渲染圖像的顏色。

1.3 OpenGL與GPU加速

OpenGL(Open Graphics Library)是業(yè)界最廣泛使用和支持的圖形應(yīng)用程序編程接口(API)。其執(zhí)行過程是通過渲染管線(Pipeline)實現(xiàn)的，包括頂點處理管線和片斷處理管線兩個階段。頂點處理管線實現(xiàn)頂點變換階段的功能，片斷處理管線負(fù)責(zé)片元的加工。早期的渲染是通過固定的渲染管線實現(xiàn)的，渲染過程被固定到代碼中不能改變。隨著現(xiàn)代圖形硬件加速技術(shù)的進步，新一代的圖形顯示硬件集成了以GPU圖形處理單元為核心的可編程頂點著色器和可編程像素著色器，通過編程動態(tài)控制渲染過程，無需重新編譯代碼，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)體實時繪制技術(shù)提供了硬件支持。GLSL(OpenGL Shading Language)為OpenGL著色語言，用于創(chuàng)建可編程著色器程序(Shader)。所創(chuàng)建的頂點著色器和片斷著色器在可編程的圖形處理器GPU上執(zhí)行，分別代替了原固定渲染管線所對應(yīng)的不同階段[7]。

圖1 基于RGB映射的融合示意圖Fig.1 Sketch map of fusion based on RGB mapping

圖2 基于屬性加權(quán)的融合示意圖Fig.2 Sketch map of fusion based on attribute weighting

1.4 基于RGB映射的融合體繪制方法

當(dāng)前計算機多為 32 位 (256×256×256×256)色深的彩色系統(tǒng)，其中紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)、不透明度(A)各占一個顏色通道。基于 RGB 映射的融合體繪制基本原理如圖1所示。

設(shè)這三個屬性體數(shù)據(jù)分別為V1、V2、V3，將它們的值利用R、G、B三個顏色通道來關(guān)聯(lián)，通過某種變換映射成三種顏色，將體素的值轉(zhuǎn)化成0-255的偽顏色值，采用一階線性變換。對于第i個體素，最終的R、G、B顏色值分別如公式(1)、公式(2)、公式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

其中：v1i、v2i、v3i是該體素的值；v1min、v2min、v3min分別對應(yīng)各屬性體數(shù)據(jù)中的最小值；v1max、v2max、v3max為最大值。通過上述公式，各屬性的值便統(tǒng)一映射到顏色通道上。

1.5 基于屬性加權(quán)的融合體繪制方法

加權(quán)原為數(shù)學(xué)統(tǒng)計中的名詞，就是賦予各對象或各變量不同的權(quán)數(shù)即權(quán)重。通過權(quán)重來進行多個屬性融合，能夠凸顯重要的屬性或者某個屬性中的重要部分，對于地震解釋是非常重要的?；趯傩约訖?quán)的融合體繪制基本原理就是先把三個屬性數(shù)據(jù)通過傳遞函數(shù)進行各自的顏色和透明度值映射，將屬性值變換到統(tǒng)一值域(0-255)，然后為每個屬性設(shè)定不同的加權(quán)系數(shù)，其中各加權(quán)系數(shù)之和為“1”，最后進行加權(quán)融合(圖2)。

圖3 數(shù)據(jù)管理示意圖Fig.3 Sketch map of data management

2 多體實時融合的三維可視化實現(xiàn)

基于以上方案，在實際GeoEast解釋軟件中研發(fā)了三維可視化多屬性體融合子系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于RGB映射和屬性加權(quán)兩種方法的體融合技術(shù)，可以通過同時調(diào)節(jié)各屬性數(shù)據(jù)體的感興趣數(shù)據(jù)值范圍、權(quán)重系數(shù)、融合順序，實時地在GPU上重新融合計算紋理并顯示。同時該子系統(tǒng)提供了豐富的三維可視化功能，從多個角度表現(xiàn)融合體的地質(zhì)內(nèi)容。數(shù)據(jù)管理過程如圖3如示。

首先將原始的地震屬性數(shù)據(jù)通過開發(fā)的文件讀取器和轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個帶索引的中間文件存放在硬盤上，在可視化顯示時指定該中間文件為數(shù)據(jù)源，通過實時訪問索引文件實現(xiàn)顯示?；诎瞬鏄渌枷?，軟件提供了一個多分辨率的分塊層次金字塔模型存儲數(shù)據(jù)，可加速數(shù)據(jù)的訪問渲染。其核心思想是分層和分塊：原始數(shù)據(jù)按不同分辨率重采樣產(chǎn)生層；同一層數(shù)據(jù)按指定的網(wǎng)格大小均勻剖分為塊。最低層是完全分辨率的塊，最頂層是最低分辨率的塊，全局視圖。渲染時最先加載頂層塊。同時其渲染與視點相關(guān)，對于初始全景，距離視點很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，只檢索其低分辨率塊；距離視點很近的數(shù)據(jù)，隨著細(xì)節(jié)的深入，逐步將其精化，采用高分辨率的塊數(shù)據(jù)顯示。這樣使得海量地震數(shù)據(jù)體能實現(xiàn)動態(tài)頁面調(diào)度，有效提高實時可視化效率，使得當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)體本身原始大小無關(guān)。

圖4 體融合軟件實現(xiàn)流程Fig.4 Software process of multi-volume fusion

圖5 融合體生成操作過程Fig.5 Operation process of fusion volume generation

該軟件的開發(fā)環(huán)境為：Linux操作系統(tǒng)redhat6.2.gcc4.4.x86-64，基于OpenGL4.4，編程語言為 C++，GLSL著色語言。測試環(huán)境為NVIDIA的 GeForce GT 555M顯卡，Intel(R)Core(TM)i7-2600 3.4GHz CPU。為了實現(xiàn)融合的實時性，采用了GPU可編程管線來進行加速，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)插值、顏色計算、色表查找、融合等算法定義在Shader片元著色器程序中，用來修改傳遞函數(shù)的映射關(guān)系，改變圖像的渲染管線。這些算法在GPU上執(zhí)行，響應(yīng)來自CPU的指令，由于 GPU 多核同時工作，擁有強大的并行計算能力，可很快完成計算實現(xiàn)直接渲染。其軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵過程如圖4所示，融合體生成的操作過程如圖5所示。

3 應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用A

利用地震振幅、相干和曲率屬性進行RGB融合及屬性加權(quán)比例融合，其剖面切片效果如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以看出，振幅屬性反映相位和儲層信息，相干屬性反映大斷層，曲率屬性刻畫小斷層、裂縫等目標(biāo)。單個屬性體繪制只是從某個方面強化了地震構(gòu)造的一個特性，而多屬性融合體繪制，可以同時凸顯多個地質(zhì)特征，更能從宏觀上表現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造，為地質(zhì)解釋作了有益補充驗證。利用切片、剖面動畫方式快速瀏覽全部融合數(shù)據(jù)，經(jīng)過測試，響應(yīng)幀率可達20 fps以上。通過調(diào)節(jié)參數(shù)，可以改變?nèi)诤闲Ч?。對基于RGB映射的融合技術(shù)，改變代表R、G、B三分量的各屬性融合順序，可以反映不同地質(zhì)邊界。對基于屬性加權(quán)的融合技術(shù)，改變屬性的權(quán)重系數(shù)或?qū)傩灶伾?，可反映不同地質(zhì)特征(圖7)。例如為了凸顯斷層信息，需增大相干屬性權(quán)重系數(shù)，也可同時突顯多個地質(zhì)特征。經(jīng)測試，所有的參數(shù)改變響應(yīng)時間在100 ms以內(nèi)，能做到即時融合顯示。

圖6 地震振幅、相干和曲率屬性融合Fig.6 Seismic amplitude, coherence and curvature attribute fusion(a)振幅屬性；(b)曲率屬性；(c)相干屬性；(d)RGB融合

圖7 屬性加權(quán)融合不同權(quán)重系數(shù)效果Fig.7 Effects of attribute weighted fusion with different weight coefficient(a)權(quán)重系數(shù)：振幅(0.3)、相干(0.6)、曲率(0.1)；(b)權(quán)重系數(shù)：振幅(0.3)、相干(0.4)、曲率(0.3)

3.2 應(yīng)用B

利用相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅屬性進行RGB融合，其切片效果如圖8所示。通過調(diào)節(jié)透明度，以透視方式進行體渲染，其應(yīng)用效果如圖9所示。

通過對不同物質(zhì)的體素分配不同的顏色值能區(qū)別不同物質(zhì)邊界，通過不透明度值調(diào)節(jié)，可以消隱或凸顯三維體數(shù)據(jù)中的某些地質(zhì)特征，從而對體數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著更加清楚地觀察。如圖9所示，經(jīng)體透視區(qū)分出數(shù)據(jù)體內(nèi)部河道和溶洞，同時針對單個屬性體河道表現(xiàn)斷續(xù)或只刻畫出河道邊緣的不足，經(jīng)屬性體融合后能互相補充。

圖8 相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅屬性融合切片效果Fig.8 Slices of coherent energy gradient, variance texture, and RMS amplitude attribute fusion(a)相干能量梯度屬性；(b)方差紋理屬性；(c)均方根振幅屬性；(d)RGB融合效果；(e)RGB融合某切片Bump紋理效果

由圖9可以看出，無論是剖面切片方式還是體透視渲染方式，單個屬性體對河道信息有不敏感的部分，對地質(zhì)情況的成像分辨率不夠高。而將相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅三種屬性體進行RGB融合后，去除了很多噪聲，消除了局部粘連的干擾，將各單屬性體表現(xiàn)的斷續(xù)河道外形融合成一條完整的河道，特別是對融合體進行Bump凹凸紋理顯示，更加立體直觀，河道連續(xù)性、展布方向及邊界刻畫得十分清晰。

3.3 應(yīng)用C

通過椅狀顯示、子體漫游及體表、體透視等多種渲染方式，從多種角度宏觀展示融合體的地質(zhì)內(nèi)容(圖10)。

4 結(jié)束語

多地震屬性數(shù)據(jù)融合，能夠綜合利用各種屬性顯示和分析地質(zhì)構(gòu)造。針對物探領(lǐng)域三維空間中多屬性體實時融合需求，研究并實現(xiàn)了多個地震屬性數(shù)據(jù)體實時融合的三維可視化技術(shù)。采用八叉樹結(jié)構(gòu)有效進行數(shù)據(jù)的動態(tài)管理，解決了三維可視化中大數(shù)據(jù)有效訪問的問題。通過深入研究GPU的渲染體系及Shader編程技術(shù)，充分利用GPU可編程管線加速，實現(xiàn)了基于RGB映射和屬性加權(quán)兩種方 法的快速交互、實時融合技術(shù)。通過實際工區(qū)數(shù)據(jù)測試，該地震多屬性體融合的三維可視化技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果，具有較好的實用性。

圖9 相干能量梯度、方差紋理、均方根振幅屬性融合體透視效果Fig.9 Volume perspective rendering of coherent energy gradient, variance texture and RMS amplitude attribute fusion(a)相干能量梯度屬性；(b)方差紋理屬性；(c)均方根振幅屬性；(d)RGB融合效果

圖10 融合體的多種顯示方式Fig.10 Multiple rendering ways of fusion volume(a)體表方式；(b)子體椅狀顯示；(c)子體顯示；(d)體透視