可視化技術

什麼是可視化？

種類繁多的信息源產生的大量數據，遠遠超出了人腦分析解釋這些數據的能力。由於缺乏大量數據的有效分析手段，大約有95%的計算被浪費，這嚴重阻礙了科學研究的進展。為此，美國計算機成像專業委員會提出瞭解決方法——可視化。可視化技術作為解釋大量數據最有效的手段而率先被科學與工程計算領域採用，並發展為當前熱門的研究領域——科學可視化。　可視化把數據轉換成圖形，給予人們深刻與意想不到的洞察力，在很多領域使科學家的研究方式發生了根本變化。可視化技術的應用大至高速飛行模擬，小至分子結構的演示，無處不在。在互聯網時代，可視化與網絡技術結合使遠程可視化服務成為現實，可視區域網絡因此應運而生。它是SGI公司在2002年3月提出的新理念。它的核心技術是可視化服務器硬件和軟件。　科學可視化的主要過程是建模和渲染。建模是把數據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。渲染是繪製真實感圖形的主要技術。嚴格地説，渲染就是根據基於光學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，並把它轉換成適合圖形顯示設備的顏色值，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來表現的，它和物體表面的材料性質、表面向視線方向輻射的光能有關，計算複雜，計算量很大。因此工業界投入很多力量來開發渲染技術。

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。圖形工作站廣泛採用RISC處理器和UNIX操作系統。具有豐富的圖形處理功能和靈活的窗口管理功能，可配置大容量的內存和硬盤，具有良好的人機交互界面、輸入/輸出和網絡功能完善，主要用於科學技術方面。 　1997年SGI推出了不用總線的UMA結構O2工作站。它採用高帶寬的存儲器系統，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一的存儲器系統代替，帶寬可達到2.1GB/s。CPU和視頻顯示可直接訪問統一的存儲器系統。此外，它還有一個單獨的窗口界面，能讓用户通過該窗口訪問Web站點，而一個文件列表在窗口頂部，方便用户對媒體資源進行管理。　2000年SGI推出強力台式工作站Octane2。Octane2把具有突破性的新一代Vpro3D圖形系統、先進的交叉開關(Crossbar)結構和最新的MIPS RISC處理器有機地結合在一起。有了Octane2及其空前的精確性、交互性和快速的圖形功能，用户可以解決最富有挑戰性的三維造型、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展的部分硬件加速功能。可用硬件實現鏡面光照計算、能夠快速準確地展現曲面，並具有48比特RGBA功能。它是當今高水準的可視化台式工作站。它可為用户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合的Onyx 3000系列超強圖形系統。 Onyx 3000在模塊化方面邁出了一大步。系統硬件由7種模塊構成：圖形擴展模塊G-brick，基本輸入/輸出擴展模塊I-brick，PCI擴展模塊P-brick，高性能I/O擴展模塊X-brick，路由器互連擴展模塊R-brick，CPU擴展模塊C-brick和磁盤擴展模塊D-brick。全機採用NUMA3體系結構。高性能的模塊化連通性有利於把超級計算能力和可視化處理無縫集成。全機可由2個CPU擴展到512個CPU。Onyx3000採用InfiniteReality3圖形處理流水線，可實時地對三維形體進行渲染。其中包括色彩、透明、紋理、光照等功能。　2002年2月SGI推出Onyx3000IP機，採用性能更好的Infinite Performance圖形處理流水線，速度更快、圖形更精緻。Onyx3000其卓越的性能和靈活性可使用户得到驚人的視覺真實效果，並充分保護用户的投資。

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，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，另一部分程序可進行任務調度，視頻同步控制，以TCP/IP方式在網絡中傳輸圖形信息及通信信息。　第二層為可視化軟件開發工具，它用來幫助開發人員設計可視化應用軟件。　第三層為各行各業採用的可視化應用軟件。　大多數可視化工作一般都在圖形工作站上進行，少數大型的、需要協同工作的可視化工作在超級圖形計算機上進行。　SGI是視算技術的先驅之一，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工具）等，其中IRISGL後來被工業界接受，成為業界開放式標準，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還開發出許多OpenGL的應用程序接口（API），如OpenGL Optimizer是一種多平台工具箱，提供高層次的構造、交互操作，在CAD/CAM/CAE和AEC的應用中提供最優的圖形功能。OpenGL Volumizer是體渲染的突破性工具，便於對基於體素的數據集可視化。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是一種提供遠程可視化服務的工具。　自從OpenGL推出以來，已有兩千多個三維圖形應用軟件在其上開發出來。如A/W公司的三維動畫軟件Maya、PTC公司的CAD/CAM/CAE應用軟件Pro/Engnieer。Landmark公司的石油勘探與開發軟件R2003,MultiGen公司的視景仿真軟件Paradigm等。

數據可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術 ^[2]  ，關於數據表現形式的科學技術研究 ^[3]  。

可視化區域網絡

當前推動圖形技術進步的動力是：　·隨着數據的不斷增長，能提供商品化的圖形渲染產品；　·隨着數據的不斷增長，能經濟地提供大量數據的寬帶網絡；　·為了加強協作，要求為全球性的團體提供全球化的數據。　解決以上三個問題的核心技術是：採用可擴展的圖形計算機，例如Onyx3000和採用OpenGL VizServer遠程可視化服務器軟件。採用OpenGLVizServer後，可以使通用的客户機設備通過網絡訪問先進的可視化計算資源。　以Onyx超強可視化計算機和遠程可視化服務器軟件OpenGL VizServer為核心的可視化區域網絡（VAN）可供全球性的羣體利用一般的客户機通過互聯網訪問放置在某處的超強可視化計算資源。

為什麼VAN現在可行？

五年前，由於技術上的原因，人們集中在開發先進的圖形渲染技術。而當前主要的問題是如何使圖形渲染產品變得更便宜。今後五年內主要問題是如何使圖形渲染結果能供任何地方的羣體和個人使用。　要解決以上問題可採用VizServer 2.0軟件，這可以使全球任何地方的團體和個人得到圖形渲染的結果，這是實現可擴展的、協同式的、全球可得到的圖形關鍵。VizServer消除了要和先進的圖形渲染系統必須有形連接的障礙，使得協同研究可以不受地理位置的限制，實現應用透明的協作。

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；　·圖形渲染結果一幀一幀地通過網絡傳送給客户端；　·客户端對圖形渲染結果解壓縮。　客户端只要發送控制流，而後端的可視化資源根據客户要求發送數據流（見附圖）。在VAN中首先要有先進的可視化結點，例如可採用機構級的Onyx3000或部門級的Onyx300或個體級的SiliconGraphicsFuel工作站或Onyx3000先進可視化計算機，其次要採用遠程可視化服務器軟件OpenGLVizServer2.0。VizServer的應用性能、帶寬均能滿足在當前現有網絡上經濟地傳送圖形渲染結果的要求。

遠程可視化服務器的應用

SGI公司在加拿大演示了遠程可視化服務。2001年11月8日SGI宣佈該公司進行的遠程可視化服務試驗獲得了成功。這次演示的目的在於展示SGI公司基於SGIOpenGLVizServer技術開發的SGI可視化服務環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——CA*net3上進行了這次遠程可視化服務試驗。所使用的OpenGLVizServer解決方案使得運行IRIX、Linux、Solaris或WindowsNT操作系統的普通台式機用户也能夠使用SGI Onyx3000系列高性能可視化系統的所有功能。這一解決方案實現了廣大網絡用户通過網格共享網格上的數據、計算能力以及可視化系統等資源。所謂的網格計算是一種通過Internet或專用網絡，將分佈在不同地理位置的各種計算資源，如超級計算機、機羣、存儲系統和可視化系統，進行互聯，形成一個資源整體的方法。　這次試驗使用了位於McConnell大學McConnell腦圖像研究中心的一台SGIOnyx系列可視化系統，並從距離該中心100到1900英里遠的城市遠程運行這一系統生成的各種圖形顯示和操作功能。試驗的結果再次證實了桌面工作站能夠交互地訪問位於蒙特利爾的一台SGIOnyx系列系統上生成的圖形，可視化服務使任何用户都能夠通過網格，與超級計算結果進行交互。全加拿大的科學家都能夠使用位於加拿大境內任何地方計算的可視化資源，並且能夠在他們的桌面電腦上對這些資源實現交互可視化。　SGI公司在格拉斯哥的科學中心召開了該公司的可視化峯會，其間，SGI以生動的方式向觀眾展示了可視化區域網絡概念的最新進展。有了可視化區域網絡，科學家和工程師能在一個地方進行數據存儲和處理；然後，所有人都可以使用網絡上的任意一台客户端設備，單獨地或者通過現有網絡協同地操作這些數據，這樣，世界各地的外科醫生、科學家、工程師和創新型技術人員就都可以利用高性能計算機的強大功能了。

名字服務和資源檢索技術

對於一個管理成千上萬數量級攝像頭資源的監控管理平台，實現對資源的快速檢索是非常重要的問題。在設計中採用了先進的“名字服務”方法，能有效實現所有資源的統一命名和快速檢索。實現方案是，為每一個攝像頭定義一個獨立的名字和屬性，屬性包括與攝像頭相關的編碼設備(如DVR)、控制設備(如矩陣)、存儲備份設備(如NVR)、媒體轉發設備(如媒體服務器)的信息(如IP地址、端口號、通道號)。系統對該攝像頭的顯示和檢索可以使用三種方式：按名字進行搜索(支持模糊搜索)、按資源目錄進行查找以及按GIS地理信息服務進行搜索。所有搜索最終會定位到資源的名稱，通過資源名稱定位到該資源的相關信息，系統可以利用這些信息實現全域聯網的視頻瀏覽、錄像、存儲備份、PTZ控制、視頻分發以及其他管理應用功能 ^[4]  。

異構硬件的集成技術

對於省級視頻監控系統，所用到的前端攝像頭、編碼器、控制器以及報警設備將會面臨多種廠家、多種型號的集成問題。例如廣州市入圍的網絡視頻服務器供應商有8家，數字硬盤錄像機廠家有10多家，攝像頭廠家有20多家，由於目前沒有制定統一的編碼標準和PTZ控制協議，因此每個廠家編碼設備輸出的數字視音頻信號、控制協議都不相同，每種攝像頭的控制指令也不相同。管理平台如何統一顯示、存儲前端的視音頻信息，統一控制前端不同的PTZ設備是一大技術難題。這就需要很好解決這一難題，實現不同廠家的設備間的完全集成，包括通過統一的通信協議轉換及媒體解碼軟件實現在客户端工作站上播放不同編碼格式的視頻圖像;通過統一的電視牆管理軟件實現在電視牆上切換顯示不同廠家設備傳送的視頻信號;通過統一的控制指令實現對前端不同廠家PTZ設備的控制。