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        多地震屬性體實時融合三維可視化技術(shù)

        2019-07-11 06:53:34張理慧王漢鈞崔京彬李詠梅
        物探化探計算技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:振幅繪制可視化

        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

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